UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI PALERMO FACOLTA’ DI...

Determinazione del numero di ottano di miscele di benzina e GNC Indice

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I

UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI PALERMO

FACOLTA’ DI INGEGNERIA

CORSO DI STUDI IN INGEGNERIA MECCANICA

DETERMINAZIONE DEL NUMERO DI OTTANO

DI MISCELE DI BENZINA E GNC

Tesi di laurea di: Relatore:

Alessandro Giordano Ing. Emiliano Pipitone

Correlatore:

Ing. Giuseppe Genchi

ANNO ACCADEMICO 2010/2011


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II

INDICE

INTRODUZIONE 1

CAPITOLO 1 - La combustione nei motori endotermici. 3

1.1 Introduzione. 3

1.2 La combustione nei motori ad accensione comandata. 3

1.3 Il fenomeno della preaccensione. 6

1.4 Il fenomeno dell’autoaccensione. 6

1.5 Il fenomeno della detonazione. 7

CAPITOLO 2 – La strategia di alimentazione double-fuel. 12

2.1 Il gas naturale compresso. 12

2.2 I sistemi di alimentazione bi-fuel. 14

2.3 La strategia di alimentazione double-fuel. 15

2.4 I vantaggi della strategia di alimentazione double-fuel. 16

CAPITOLO 3 - La norma ASTM D 2700. 19

3.1 Introduzione. 19

3.2 Metodo di valutazione del numero di ottano Motor. 20

3.3 Condizioni operative imposte dalla norma ASTM D 2700. 22


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III

3.4 Procedura di determinazione del numero di ottano Motor. 23

3.5 Calcolo del N.O. secondo la procedura Bracketing-Equilibrium Fuel Level. 26

3.6 Altri indici per la valutazione dell’intensità di detonazione. 27

3.7 Taratura del micrometro. 28

3.8 Taratura del knockmeter. 29

3.9 Regolazione dello spread del knockmeter. 30

3.10 Verifica dello spread del knockmeter. 31

3.11 Combustibili di riferimento. 32

3.11.1 Iso-ottano. 33

3.11.2 Normal-eptano. 33

3.11.3 Blend 80. 34

3.11.4 Piombo tetraetile. 35

3.12 Miscelazione dei combustibili di riferimento. 36

CAPITOLO 4 - Il motore CFR e l’apparato sperimentale.

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4.2 Specifiche del motore CFR-48. 40

4.3 Sistema di alimentazione del motore CFR-48. 46

4.3.1 Sistema di alimentazione a carburatore. 47

4.3.2 Sistema di iniezione della benzina. 49

4.3.3 Sistema di iniezione del GNC. 55

4.4 Misura della dosatura. 57

4.5 Misura della posizione angolare dell’albero motore. 59

4.6 Trattamenti dell’aria di aspirazione e della miscela carburata. 60

4.7 Misura dell’intensità di detonazione. 62

4.8 Rilevazione della pressione ambiente e dell’umidità dell’aria aspirata. 64

4.9 Apparecchiature di controllo del motore CFR-48. 66

4.10 Apparecchiature per la miscelazione dei combustibili di riferimento. 67

CAPITOLO 5 - Le prove sperimentali.

70


5.2 Caratteristiche della benzina e del GNC impiegati. 70

5.3 Prove sperimentali. 72


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IV

5.4 Prova 100% benzina. 73

5.5 Prova double-fuel 20% GNC - 80% benzina. 75





5.10 Prova 100% GNC. 84

5.11 Analisi dei risultati sperimentali. 86

CAPITOLO 6 - Conclusioni.

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BIBLIOGRAFIA.

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Determinazione del numero di ottano di miscele di benzina e GNC Introduzione

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1

Introduzione

L’industria motoristica investe costantemente importanti risorse nel campo della ricerca

obbligata dalle stringenti norme internazionali sulla salvaguardia dell’ambiente e dal

continuo incremento del prezzo dei combustibili derivati dal petrolio. Limitare gli

investimenti e ridurre i tempi di immissione sul mercato costituiscono le priorità dei

costruttori di motori alternativi i quali, adeguando opportunamente unità motrici già

esistenti, hanno sviluppato motori ad accensione comandata in grado di essere

alimentati alternativamente sia a benzina sia a gas naturale compresso (GNC) o a gas di

petrolio liquefatto (GPL), sfruttando i benefici in termini di risparmio energetico ed

emissioni inquinanti che si ottengono con l’impiego dei combustibili gassosi. Tuttavia i

combustibili liquidi possiedono delle caratteristiche chimico fisiche grazie alle quali il

loro impiego nei motori endotermici consente lo sviluppo di maggiori potenze anche se

questi sono caratterizzati da una minore resistenza alla detonazione rispetto ai

combustibili gassosi. Il Dipartimento di Ingegneria Chimica, Gestionale, Informatica,

Meccanica dell’Università degli Studi di Palermo ha condotto un progetto di ricerca

sulla combustione simultanea di combustibili liquidi e gassosi valutando i vantaggi del

loro impiego nei propulsori endotermici.

Questo lavoro di tesi si inquadra all’interno di questo progetto di ricerca, con l’obiettivo

di determinare la resistenza alla detonazione di miscele di benzina e GNC, al variare

della percentuale di GNC, tramite la determinazione del numero di ottano Motor

(MON).

Determinazione del numero di ottano di miscele di benzina e GNC Introduzione

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La resistenza alla detonazione dei combustibili, espressa attraverso il numero di ottano,

costituisce un parametro importante per i motori ad accensione comandata.

Il procedimento di determinazione del numero di ottano dei combustibili è descritto da

apposite norme di riferimento. A dimostrazione di quanto affermato, già a partire dal

1920, venne istituito il comitato di ricerca Co-operative Fuel Research (CFR), il quale

si pose l’obiettivo di sviluppare dei metodi che permettessero di caratterizzare la

resistenza alla detonazione dei combustibili impiegati nei motori ad accensione

comandata, in modo tale da potere rispondere alle necessità delle industrie petrolifere e

dei costruttori di motori. Nel 1928 il comitato di ricerca Co-operative Fuel Research

sancì la necessità di realizzare un motore di prova standardizzato, gettando le basi dello

sviluppo di un metodo di prova standard, riconosciuto a livello internazionale, per la

valutazione della resistenza alla detonazione dei combustibili.

Il primo motore prodotto al mondo, siglato con l’acronimo CFR, venne progettato,

costruito, collaudato e consegnato a Detroit in meno di 45 giorni dalla Waukesha Motor

Company, in tempo utile per essere esposto il 14 gennaio 1929 all’incontro annuale

della Society of Automotive Engineers.

La valutazione del numero di ottano Motor (MON) di miscele di benzina e GNC è stata

condotta attraverso l’ausilio di un motore CFR, costruito dalla Waukesha Motor

Company, le cui apparecchiature sono state opportunamente implementate con

strumenti da laboratorio, come descritto nei capitoli successivi.

Determinazione del numero di ottano di miscele di benzina e GNC Capitolo 1

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Capitolo 1.

La combustione nei motori endotermici.

1.1 Introduzione.

Il limite di impiego dei combustibili nei motori alternativi a combustione interna ad

accensione comandata è costituito da fenomeni anomali di combustione i quali sono

dannosi per il motore, poiché si creano delle condizioni di pressione e temperatura che

compromettono la resistenza dei materiali.

1.2 La combustione nei motori ad accensione comandata.

In condizioni di funzionamento reale, il fenomeno della combustione di un motore

alternativo ad accensione comandata non è istantaneo (isocoro), come teoricamente

previsto dal ciclo termodinamico Otto. La combustione necessita infatti di un certo

tempo per compiersi, che dipende:

dalla velocità di propagazione del fronte di fiamma, la quale risulta funzione

della pressione in camera di combustione;

dalla turbolenza in camera di combustione;

dalla temperatura della miscela aria-combustibile dentro la camera di

combustione.

La descrizione a livello macroscopico del processo di combustione nei motori

endotermici ad accensione comandata secondo il modello a propagazione di fiamma

(Fig. 1.1), prevede l’ossidazione di una piccola porzione di miscela carburata vicina alla

candela, quando, per effetto della scintilla che scocca tra gli elettrodi della candela, si


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raggiunge una temperatura uguale o superiore a quella di accensione della miscela.

Questa piccola porzione di miscela ossidata rilascia calore in camera di combustione

provocando un modesto incremento di pressione. Durante questa prima fase la velocità

di propagazione del fronte di fiamma è molto bassa per via del calore assorbito dalle

superfici della camera di combustione, le quali sono più fredde rispetto alla porzione di

miscela. Il processo di combustione prosegue con la propagazione del fronte di fiamma,

caratterizzato da superfici sferiche sempre più frastagliate man mano che questa

incontra porzioni di miscela caratterizzate da elevata turbolenza. Pertanto la superficie

di scambio termico aumenta rendendo il processo di ossidazione più rapido in questa

seconda fase. Di conseguenza si verifica un aumento della pressione in camera di

combustione dovuto alla crescente frazione in massa di miscela che partecipa al

processo di combustione.

Figura1.1 - Sequenze che mostrano la propagazione del fronte di fiamma

dentro la camera di combustione di un motore ad accensione comandata.

La velocità di ossidazione, durante la combustione in un motore alternativo ad

accensione comandata, è funzione dei seguenti fattori:

la dosatura della miscela aria-combustibile: per ottenere la massima reattività di

una miscela omogenea, l’equilibrio chimico di un processo di ossidazione


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presuppone una dosatura stechiometrica. Tuttavia, sperimentalmente, le massime

velocità di propagazione del fronte di fiamma si registrano in presenza di

miscele ricche. La presenza di nuclei caldi, presenti in maggiore concentrazione

nelle miscele ricche, velocizzano il processo di ossidazione proiettandosi dal

fronte di fiamma verso l'interno della miscela incombusta;

la velocità angolare dell’albero motore: se la velocità di propagazione del fronte

di fiamma fosse costante, la durata angolare della combustione risulterebbe

proporzionale alla velocità angolare dell’albero motore. Tuttavia la velocità di

propagazione del fronte di fiamma cresce all'aumentare della turbolenza in

camera di combustione e la turbolenza a sua volta si incrementa al crescere della

velocità angolare. Pertanto la durata angolare della combustione cresce

moderatamente al crescere della velocità angolare;

il rapporto di compressione del motore: la velocità di propagazione del fronte di

fiamma cresce all’aumentare della pressione e della temperatura della miscela;

la posizione ed il numero delle valvole di aspirazione nel cilindro, la forma della

testa e del cielo dello stantuffo al fine di conferire un’elevata turbolenza alla

miscela aria-combustibile in ingresso alla camera di combustione, limitando il

rapporto tra la superficie di parete ed il volume della camera e minimizzando di

conseguenza lo scambio termico;

la posizione ed il numero di candele all’interno della camera di combustione.

La dosatura della miscela riveste notevole importanza nel processo di combustione in un

motore ad accensione comandata. Una miscela povera consente una combustione più

completa e di conseguenza minori perdite di gas incombusti allo scarico. Viceversa una

miscela ricca riduce l’arco di combustione poiché incrementa la velocità di

avanzamento del fronte di fiamma. La fase di combustione tende ad avere un andamento

più vicino a quello teorico (isocoro), che implica il massimo rendimento a parità di

geometria costruttiva del motore. Una miscela povera, con circa il 15% di eccesso

d'aria, massimizza il rendimento termico del ciclo termodinamico reale, mentre una

miscela ricca, con circa il 15% di eccesso di carburante, incrementando la velocità di

combustione, consente di raggiungere la massima pressione media effettiva (PME), cioè

la massima coppia.


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1.3 Il fenomeno della preaccensione.

In un motore alternativo ad accensione comandata, nell’intorno della valvola di scarico

o in prossimità della candela, si possono innescare dei punti caldi. Questi comportano

l’accensione della miscela carburata, o di una parte di questa, prima che questa sia

investita dal fronte di fiamma. Il fenomeno della preaccensione dipende dalla

temperatura raggiunta dai punti caldi. Per temperature moderate, i punti caldi

potrebbero innescare l'accensione della miscela carburata dopo l’inizio della

combustione regolare dovuta alla scintilla che scocca tra gli elettrodi della candela.

Per temperature maggiori, gli istanti di accensione dovuti ai punti caldi ed alla scintilla

potrebbero coincidere. Sotto queste condizioni, se si spegne l’alimentazione elettrica

della candela, il motore continua il proprio funzionamento conservando la medesima

potenza, anche se con una certa instabilità (effetto dieseling). Tuttavia la vera

preaccensione, ossia l'accensione della miscela carburata per punti caldi, antecedente la

scintilla che scocca tra gli elettrodi della candela, si manifesta per temperature dei punti

caldi superiori alle precedenti, con effetti dannosi sul rendimento del ciclo di

combustione e sulla resistenza strutturale dei componenti meccanici del motore. Questo

risultato è simile a quello che si registrerebbe con un eccessivo anticipo di accensione

rispetto al punto morto superiore (PMS).

1.4 Il fenomeno dell’autoaccensione.

Il fenomeno della combustione di un motore alternativo ad accensione comandata può

essere accompagnato da fenomeni di autoaccensione che si manifestano soprattutto

nell’end-gas, ossia nell'ultima porzione di miscela aria-combustibile raggiunta dal

fronte di fiamma, quindi la più lontana dalla candela. Il fenomeno dell’autoaccensione si

manifesta quando l’end-gas raggiunge spontaneamente la temperatura di autoaccensione

prima che questa venga raggiunta dal fronte di fiamma. Il fenomeno dell'autoaccensione

può manifestarsi in due modi distinti: l’autoaccensione e la detonazione.

Il fenomeno dell’autoaccensione si manifesta in forma di sorde vibrazioni del motore ed

i principali parametri che lo influenzano sono: la temperatura e la densità dell’end-gas,

il periodo di incubazione e la dosatura della miscela. Nel caso di autoaccensione la

temperatura e la pressione dell’end-gas aumentano a causa della rapida compressione

imposta dalla già avvenuta ossidazione di una frazione di miscela aria-combustibile,


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innescata dalla scintilla che scocca tra gli elettrodi della candela e a partire dalla quale

avanza il fronte di fiamma. Dopo un certo periodo, detto di incubazione, durante il quale

si formano dei composti intermedi di ossidazione che catalizzano le successive reazioni

chimiche, si manifesta l'ossidazione dell’end-gas. Nei motori a combustione interna ad

accensione comandata il periodo di incubazione viene definito come l’intervallo di

tempo necessario affinché la miscela si auto accenda, ed è stimato a partire dalla fase di

fine compressione e descritto dalla seguente espressione matematica:

dove i termini che figurano rappresentano rispettivamente:

p: pressione raggiunta dalla miscela aria-combustibile [bar];

T: temperatura raggiunta dalla miscela aria-combustibile [K];

E: energia di attivazione del combustibile in esame [

];

R: costante universale del gas [

];

A , n: costanti variabili in relazione al combustibile in esame.

II periodo di incubazione è funzione dell’evoluzione temporale della temperatura e della

pressione iniziale del combustibile.

1.5 Il fenomeno della detonazione.

Il fenomeno della detonazione rappresenta la più importante forma di combustione

anomala nei motori alternativi ad accensione comandata. Questo fenomeno si manifesta

quando la velocità del processo di combustione eguaglia la velocità di propagazione

delle onde esplosive e la pressione localmente non si trova più in condizioni di

equilibrio con la produzione di energia termica. Questo aspetto è evidenziato

dall’innescarsi, all'interno della camera di combustione, di onde di pressione che si

propagano alla locale velocità del suono (Fig. 1.2).


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Figura 1.2 - Le tre sequenze mostrano rispettivamente il modello fronte

di fiamma nei casi di: combustione normale a sinistra, detonazione al

centro e preaccensione a destra.

A seguito di ciò lo scambio termico per convezione e irraggiamento tra la miscela

combusta e le pareti del motore aumenta, incrementando la produzione di punti caldi e

favorendo il manifestarsi di altri fenomeni di combustione anomala che possono

determinare gravi deterioramenti delle parti meccaniche del motore.

L'opportunità di conseguire elevate velocità di combustione, attraverso moderati

fenomeni di autoaccensione, è una condizione auspicabile in sede progettuale. Tuttavia

l'anticipo di accensione viene regolato con un certo coefficiente di sicurezza rispetto al

limite dell’incipiente detonazione. Il fenomeno della detonazione sollecita sia

meccanicamente che termicamente gli organi del motore (Fig. 1.3), quindi deve essere

accuratamente scongiurato, costituendo il principale limite al rapporto volumetrico di

compressione dei motori ad accensione comandata, limitandone pertanto il rendimento

termodinamico ideale.

La detonazione dipende da vari fattori:

rapporti di compressione elevati: inducono ingenti pressioni di compressione

dentro la camera di combustione, favorendo il raggiungimento delle condizioni

critiche;

anticipi di accensione elevati: provocano detonazione anticipando il picco di

pressione in camera di combustione rispetto al PMS. Spesso nei motori ad

accensione comandata l’anticipo di incipiente detonazione si trova in


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corrispondenza dell’anticipo di massima coppia, particolare fondamentale da

tenere in considerazione in sede progettuale;

dosature povere della miscela: fenomeni di combustione anomala sono meno

probabili per dosature ricche poiché, se nella miscela è presente una maggiore

percentuale di combustibile, questo, evaporando, sottrae una maggiore quantità

di calore, allontanando la miscela dalle condizioni critiche;

bassi regimi di rotazione del motore: l’end-gas ha più tempo per raggiungere le

condizioni critiche;

forma della camera di combustione, posizione della candela al suo interno e

turbolenza indotta;

elevate temperature dell’aria di aspirazione.

Figura 1.3 - Effetti del fenomeno della detonazione sui componenti strutturali

di un motore ad accensione comandata.

La resistenza alla detonazione dei combustibili dipende dalle loro caratteristiche

chimico-fisiche ed è convenzionalmente identificata dal numero di ottano. Questo è

misurato confrontando il combustibile in esame con miscele di combustibili di

riferimento, caratterizzate da un numero di ottano noto. I due principali combustibili di

riferimento impiegati nella determinazione del numero di ottano sono: l’iso-ottano (100

N.O.) e il normal-eptano (0 N.O.).


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Il fenomeno della preaccensione favorisce l’innescarsi del fenomeno della detonazione

perché provoca un aumento della temperatura dell’end-gas. Si sottolinea tuttavia che

talvolta i combustibili mostrano un diverso comportamento nei confronti della

resistenza alla preaccensione rispetto a quella della detonazione: ad esempio il metanolo

caratterizzato da una notevole resistenza alla detonazione mostra una maggiore tendenza

alla preaccensione. Inoltre le miscele ricche con un eccesso di combustibile del 15%

presentano il massimo divario fra la resistenza alla detonazione e quella alla

preaccensione. Avvalendosi di un sensore di pressione si può investigare

sperimentalmente l’andamento della pressione in camera di combustione quando si

manifesta il fenomeno della detonazione (Fig. 1.4), ciò consente di individuare dei

picchi di pressione contraddistinti da una frequenza caratteristica, variabile in relazione

alle caratteristiche del motore, entro una banda compresa tra 5 kHz e 15 kHz.

Questa banda di frequenze, tipiche del fenomeno della detonazione, coincide con la

banda di frequenze del rumore metallico, rendendo i fenomeni della detonazione

percepibili anche dall’orecchio umano.

Figura 1.4 - Andamento caratteristico della pressione all’interno del

cilindro del motore CFR in presenza del fenomeno della detonazione.

La caratterizzazione dei fenomeni di detonazione di un motore alternativo ad accensione

comandata può essere effettuata ricorrendo all’impiego di un sensore di pressione

piezoelettrico, posto dentro la camera di combustione, e da un filtro passa alto

impiegato per ridurre il disturbo del rumore di fondo dovuto alle parti meccaniche in

movimento e imputabile principalmente alla distribuzione del propulsore.


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Il motore CFR, impiegato per la determinazione del numero di ottano Motor delle

miscele di GNC e benzina in proporzioni variabili, mostra un andamento della pressione

in camera di combustione fortemente irregolare (Fig. 1.5), caratterizzato da picchi di

frequenza nell’intorno dei 6 kHz. Questa costituisce la frequenza caratteristica

principale del fenomeno di detonazione per questo motore.

Figura 1.5- Spettro di ampiezza ottenuto per il motore CFR avvalendosi di un sensore

di pressione piezoelettrico posto dentro la camera di combustione e di un filtro passa

alto a 3 kHz.


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Capitolo 2.

La strategia di alimentazione double-fuel.

2.1 Il gas naturale compresso.

Durante una reazione chimica di ossidazione, il carbonio e l'idrogeno contenuti nei

combustibili reagiscono con l'ossigeno formando rispettivamente: monossido di

carbonio CO, ossidi di azoto NOx, anidride carbonica CO2 e vapore d’acqua H2O.

Nei motori alternativi ad accensione comandata, la produzione di monossido di carbonio

CO e di ossidi di azoto NOx è regolamentata da norme a livello internazionale che ne

impongono costantemente la riduzione. L’impiego, nei motori endotermici ad

accensione comandata, di combustibili gassosi come il gas di petrolio liquefatto (GPL)

o il gas naturale compresso (GNC) consentono una combustione più pulita rispetto a

quella con benzina, riducendo di conseguenza le emissioni inquinanti immesse

nell’ambiente (CO e NOx). Il combustibile che consente di ridurre maggiormente la

produzione di anidride carbonica, durante il processo di combustione nei motori ad

accensione comandata, è il gas naturale, fondamentalmente costituito da metano, come

mostrato nella Tabella 2.1. Infatti la produzione di anidride carbonica, generata durante

un processo di ossidazione, è direttamente proporzionale alla quantità di carbonio

presente nella molecola del combustibile ed il metano, la cui molecola è CH4 (Fig. 2.1),

presenta un rapporto H/C, superiore a tutti gli altri combustibili fossili, pari a 4.

Figura 2.1 - Struttura chimica del metano.


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Inoltre il gas naturale è caratterizzato da una resistenza alla detonazione superiore a

quella della benzina (85 MON), infatti il suo numero di ottano Motor varia da 115 a 135

in relazione alla percentuale di metano presente nella miscela. Pertanto l’impiego del

GNC nei motori ad accensione comandata consente di ottimizzare la fasatura di

accensione, riducendo i consumi di combustibile e le emissioni inquinanti prodotte dal

ciclo di combustione.

Metano CH4 85.79

Etano C2H6 7.86

Propano C3H8 1.61

Iso-butano IC4H10 0.19

N-butano NC4H10 0.28

Iso-pentano IC5H12 0.06

N-pentano NC5H12 0.06

Esano C6+ 0.06

Anidride carbonica C02 1.04

Azoto N2 2.97

Tabella 2.1 – Esempio di composizione di un campione di

gas naturale espressa in termini di percentuali in volume.

Bisogna inoltre sottolineare che, quando si alimenta un motore alternativo ad accensione

comandata con gas naturale compresso, il riempimento della camera di combustione si

riduce rispetto al caso di alimentazione con sola benzina. Infatti un combustibile liquido

come la benzina possiede un volume specifico vb di tre ordini di grandezza inferiore

rispetto al volume specifico dell’aria aspirata va (che è un gas) che è dello stesso ordine

di grandezza del volume specifico vg di un combustibile gassoso come il GNC.

Esaminando dunque l’espressione della potenza effettiva erogabile da un motore ad

accensione comandata, si nota che alimentandolo con gas naturale compresso il rapporto

tra i volumi specifici ⁄ non è un termine trascurabile come avviene nel caso di

alimentazione del motore con benzina. Ciò comporta una riduzione della potenza

effettiva erogabile dal motore:

[

(

)]

I parametri che figurano sono:

λv: coefficiente volumetrico del motore;


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η: rendimento globale del motore;

V: cilindrata complessiva del motore;

Hi: potere calorifico inferiore del combustibile in esame;

α: dosatura della miscela iniettata;

ε: rapporto tra il numero di giri ed il numero di cicli del motore.

Il gas naturale compresso rappresenta una valida e vantaggiosa alternativa ai

combustibili derivati dal petrolio e pertanto viene impiegato dalle case automobilistiche

per alimentare i motori ad accensione comandata nella versione bi-fuel.

2.2 I sistemi di alimentazione bi-fuel.

I motori alternativi ad accensione comandata bi-fuel vengono alimentati

alternativamente a benzina o con combustibili gassosi (GPL o GNC). I motori bi-fuel

sono dotati di due sistemi di iniezione distinti, ciò consente un rapido passaggio da

un’alimentazione all'altra e non comporta sostanziali modifiche d'impianto rispetto ai

tradizionali motori alimentati solamente a benzina. L’impossibilità di utilizzare i soli

combustibili gassosi deriva, specialmente per il gas naturale compresso, dalla

insufficiente reperibilità di questi sul territorio nazionale, anche se l’Italia è il secondo

paese europeo, dopo la Germania, con il maggior numero di impianti di distribuzione di

combustibili gassosi. I motori ad accensione comandata bi-fuel di vecchia concezione,

vengono progettati per funzionare in modo stabile con benzina, ossia con un rapporto di

compressione inferiore a quello che il gas naturale compresso consentirebbe data la sua

maggiore resistenza alla detonazione rispetto alla benzina. Ciò comporta una riduzione

dei valori di potenza teoricamente ottenibili durante il funzionamento con gas naturale

compresso di circa il 13%. Inoltre ai carichi medio alti il sistema di iniezione del motore

alternativo alimentato a benzina arricchisce la miscela anche fino al 20% in più rispetto

alla dosatura stechiometrica al fine di ridurre la temperatura della miscela carburata e

aumentare la velocità di combustione. Questi interventi sono finalizzati a scongiurare i

pericolosi fenomeni della detonazione, ma determinano un elevato incremento del

consumo specifico ed elevate emissioni inquinanti. Una dosatura ricca peggiora i

consumi del motore quindi il rendimento dello stesso, perché una parte del combustibile

non partecipa alla reazione di ossidazione e viene eliminato allo scarico, incrementando


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le emissioni nell’ambiente di idrocarburi incombusti (HC), di monossido di carbonio

(CO) e di ossidi di azoto (NOx). Queste elevate emissioni, superiori di un ordine di

grandezza rispetto alla combustione di miscele stechiometriche, sono dovute alla

capacità dei catalizzatori trivalenti di convertire gli inquinanti solo in un limitatissimo

intervallo di dosature posto nell’intorno della dosatura stechiometrica.

Ultimamente sono stati progettati motori ad accensione comandata di nuova concezione,

caratterizzati da rapporti di compressione tali da sfruttare l'elevata resistenza alla

detonazione del gas naturale compresso, affidandone a questo la completa autonomia

(motori monovalenti) o ricorrendo all’installazione di un piccolo serbatoio di benzina

con capacità inferiore a 15 litri, congiuntamente ad una logica di funzionamento della

centralina elettronica di gestione del motore che limiti la pressione assoluta massima nel

collettore di aspirazione (MAP) ed imponga combustioni meno anticipate necessarie a

scongiurare i pericolosi fenomeni della detonazione durante il funzionamento a benzina,

con conseguente riduzione del rendimento e della potenza del motore in condizioni di

alimentazione a benzina. Tuttavia questi motori, così progettati, non hanno riscontrato

sviluppo su larga scala a causa dello scarso approvvigionamento dei combustibili

gassosi presso i distributori. La strategia di alimentazione dei motori endotermici ad

accensione comandata bi-fuel costituisce quindi una tecnologia di compromesso tra

prestazioni, riduzione delle emissioni inquinanti ed economia di utilizzo, grazie al minor

costo del gas naturale compresso (GNC).

2.3 La strategia di alimentazione double-fuel.

Il Dipartimento di Ingegneria Chimica, Gestionale, Informatica, Meccanica

dell’Università degli Studi di Palermo ha condotto un progetto di ricerca sulla

combustione simultanea di combustibili gassosi (GPL o GNC) e di benzina in un

motore ad accensione comandata. Questo studio ha consentito la realizzazione e

l’ottimizzazione di una nuova strategia di alimentazione dei motori endotermici ad

accensione comandata, denominata double-fuel, la quale prevede di iniettare all'interno

del condotto di aspirazione una miscela di benzina e gas azionando

contemporaneamente gli iniettori di entrambi i sistemi di alimentazione, presenti in un

motore bi-fuel. I risultati ottenuti dalle prove sperimentali evidenziano che l'aggiunta di

una certa quantità di GNC alla miscela di aria e benzina, incrementa la resistenza


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all’autoaccensione della miscela carburata, in relazione alla percentuale di gas iniettato.

Il gas naturale compresso, che è caratterizzato da un numero di ottano variabile da 115-

135 MON, a seconda della percentuale di metano presente nella miscela, incrementa

globalmente la resistenza alla detonazione della miscela benzina-gas. La maggiore

resistenza alla detonazione della miscela di benzina e gas, ottenuta iniettando

contemporaneamente i due combustibili nel condotto di aspirazione di un motore ad

accensione comandata, consente al motore di essere alimentato con miscele

stechiometriche anche a pieno carico e lavorare con anticipi di accensione sempre

ottimali scongiurando i pericolosi fenomeni della detonazione. Per la miscela di benzina

e gas naturale compresso attualmente si ipotizza che dentro la camera di combustione il

fronte di fiamma avanzi dopo l’innesco della scintilla che scocca tra gli elettrodi della

candela, mentre l’end-gas si comprime a causa dell'aumento della pressione e della

temperatura dovuto alla porzione di miscela già interessata dalla reazione di

ossidazione. La benzina contenuta nell’end-gas raggiunge le condizioni di pressione e

temperatura critiche di autoaccensione, ma le molecole di GNC presenti nell'end-gas

assorbono l'energia prodotta dall’ossidazione delle molecole di benzina interessate

dall'autoaccensione, limitando gli effetti delle combustioni anomale. Le molecole di gas

assorbono pertanto l'energia prodotta dall'autoaccensione delle molecole di benzina,

senza estinguere completamente il fenomeno, infatti i punti in cui la benzina si auto

accende costituiscono dei punti di innesco addizionali che accelerano la propagazione

del fronte di fiamma, consentendo una combustione più veloce e completa.

2.4 I vantaggi della strategia di alimentazione double-fuel.

La ricerca sperimentale condotta dal Dipartimento di Ingegneria Chimica, Gestionale,

Informatica, Meccanica dell’Università degli Studi di Palermo è stata eseguita su un

motore bi-fuel ad accensione comandata FIAT F4P, con cilindrata pari a 1242 cm3.

Il motore è stato alimentato utilizzando l’innovativa strategia double-fuel, che prevede

l’iniezione simultanea di combustibili gassosi e benzina in opportune proporzioni dentro

il condotto di aspirazione e per diverse condizioni operative di velocità e di carico del

motore. Analizzando i risultati conseguiti impiegando miscele di gas naturale

compresso e benzina e confrontandoli con quelli ottenuti alimentando lo stesso motore

con sola benzina, si osserva che la combustione di miscele di gas naturale e benzina


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17

offre diversi vantaggi. A pieno carico, l’aggiunta di gas naturale compresso alla benzina

incrementa infatti la resistenza alla detonazione della miscela, riducendo i consumi di

carburante di circa il 25 %. Infatti, sotto queste condizioni, il motore ad accensione

comandata può essere alimentato con miscele stechiometriche, anche a pieno carico,

senza la necessità di dovere arricchire la miscela per scongiurare la detonazione.

Inoltre l’alimentazione stechiometrica del motore, anche a pieno carico, consente di

ridurre le emissioni inquinanti grazie alla riduzione dei consumi e al fatto che

l’efficienza dei catalizzatori trivalenti è massima quando il motore è alimentato proprio

con miscela stechiometrica. La maggiore resistenza alla detonazione, dovuta

all’aggiunta di gas naturale compresso alla miscela aria-benzina, permette anche di

migliorare il ciclo termodinamico del motore utilizzando fasature ottimali che

garantiscono valori di pressione media indicata (PMI) più elevati. Tuttavia il

riempimento del motore si riduce all’aumentare della percentuale di gas naturale

iniettato, causando una riduzione della massima potenza erogabile dal motore.

I risultati sperimentali mostrano che: quando il motore viene alimentato con la strategia

double-fuel, la potenza massima erogabile si ottiene con una iniezione del 30% di gas

naturale ed in corrispondenza a tale valore, la riduzione della potenza massima erogata

dal motore, in configurazione double-fuel, è del 4% rispetto al valore di massima

potenza erogabile dal motore quando questo è alimentato con sola benzina. Tale valore

di riduzione della massima potenza erogabile dal motore ad accensione comandata

risulta inferiore rispetto al valore di riduzione del 13% della potenza massima erogata,

registrato alimentando il motore con solo gas naturale. Le migliori condizioni in termini

di efficienza del motore (+ 27%) si raggiungono invece per una frazione in massa del

gas naturale del 50%. Per tale percentuale infatti la resistenza alla detonazione della

miscela diventa talmente alta da consentire la migliore fasatura del motore (LPP= 15°

DPMS). Questi ottimi risultati mostrano che la strategia di alimentazione double-fuel

dei motori ad accensione comandata costituisce una valida alternativa all’iniezione di

sola benzina o alla tecnologia bi-fuel. Inoltre la nuova strategia di iniezione double-fuel

può essere facilmente implementata nelle vetture attualmente in commercio ed

equipaggiate con impianti di iniezione bi-fuel senza modifiche strutturali. Basta infatti

aggiornare il software della centralina elettronica di controllo del motore, aggiungendo

alcuni parametri di controllo per consentire la regolazione in tempo reale della

percentuale di gas presente nella miscela e della quantità totale di miscela da introdurre

per mantenere la dosatura al valore stechiometrico. Tuttavia il motore ad accensione


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18

comandata può essere alimentato con un solo tipo di combustibile qualora ciò si

rendesse necessario per qualsiasi motivo.


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19

Capitolo 3.

La norma ASTM D 2700.

3.1 Introduzione.

Questa tesi di laurea si pone l’obiettivo di determinare il numero di ottano Motor di

miscele di benzina e gas naturale compresso (GNC) in proporzioni variabili nell’ambito

della ricerca condotta dal Laboratorio di Motori dell'Università degli Studi di Palermo

sull’innovativa strategia double-fuel. Le procedure di determinazione del numero di

ottano per combustibili impiegati nei motori ad accensione comandata secondo i due

diversi metodi Motor (MON: Motor Octane Number) e Research (RON: Research

Octane Number) sono descritte rispettivamente dalle norme internazionali ASTM D

2700 e ASTM D 2699, pubblicate dall’International American Society for Testing and

Materials. Le due procedure per la determinazione del numero di ottano differiscono per

le condizioni operative di funzionamento prescritte per il motore da laboratorio CFR

(Cooperative Fuel Research). Si sottolinea che il metodo Research prevede rispetto al

metodo Motor che le prove di determinazione del numero di ottano dei combustibili

siano eseguite ad una velocità di rotazione del motore CFR più bassa (600 giri/minuto),

anticipo di accensione fisso e senza alcuna limitazione relativa alla temperatura dell'aria

aspirata e della miscela carburata. A causa di ciò il metodo Research restituisce numeri

di ottano superiori rispetto al metodo Motor e la differenza tra i due valori è chiamata

sensibilità del combustibile. I combustibili gassosi di impiego nei motori ad accensione

comandata caratterizzati da numeri di ottano Motor superiore a 120 vengono qualificati

anche attraverso il numero di metano. La norma di riferimento per la determinazione del

numero di ottano Motor e del numero di metano del gas naturale compresso di impiego

nei motori endotermici ad accensione comandata è la UNI EN ISO15403-1:2009.


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20

I combustibili di impiego nei motori ad accensione per compressione vengono invece

caratterizzati attraverso il numero di cetano e la norma di riferimento per la sua

determinazione è la norma internazionale ASTM D 613, pubblicata sempre

dall’International American Society for Testing and Materials.

3.2 Metodo di valutazione del numero di ottano Motor.

La norma ASTM D 2700 descrive le condizioni da rispettare e le procedure da attuare

per la determinazione del numero di ottano Motor (MON) di un combustibile di

impiego nei motori ad accensione comandata. Il numero di ottano Motor di un

combustibile è definito come il valore più vicino alla percentuale in volume di iso-

ottano (2,2,4-trimetilpentano) in miscela con normal-eptano (n-eptano), valutato

confrontando la tendenza alla detonazione del combustibile in esame con quella di

miscele di combustibili di riferimento, caratterizzate da un numero di ottano noto.

A parità di altre condizioni di funzionamento del motore, ogni combustibile è

caratterizzato da un rapporto di compressione critico che determina il manifestarsi del

fenomeno della detonazione, e a partire dal quale, incrementando ulteriormente il

rapporto di compressione, l'intensità della detonazione aumenta. Partendo da questo

concetto fondamentale, la norma internazionale ASTM D 2700 prescrive la variazione

del rapporto di compressione del motore CFR in modo tale che il campione di

combustibile in esame fornisca una intensità di detonazione standard, il cui valore è

riportato nelle tabelle guida. Queste mettono in correlazione l'altezza del cilindro, ossia

il rapporto di compressione del motore CFR, con il numero di ottano di miscele di

combustibili di riferimento. L'intensità di detonazione, misurata attraverso un sensore di

tipo magnetostrittivo, viene visualizzata su un indicatore denominato knockmeter

indicator (Fig. 3.1). La variazione della pressione atmosferica dell’ambiente di prova

influenza il riempimento del motore CFR, modificando il legame esistente tra l’intensità

di detonazione standard della tabella guida ed il corrispondente valore dell’altezza del

cilindro. Per risolvere questo problema la norma ASTM D 2700 riporta nelle tabelle

guida i numeri di ottano ed i corrispondenti valori dell’altezza del cilindro riferiti ad una

pressione atmosferica dell’ambiente di prova pari a 760 mmHg. Qualora la pressione

atmosferica dell’ambiente di prova risulti diversa da 760 mmHg, i valori letti sulle

tabelle guida andranno modificati tramite i coefficienti correttivi, riportati nelle tabelle


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21

A6.9 e A6.10 della norma. Nello specifico, per pressioni atmosferiche dell’ambiente di

prova inferiori a 760 mmHg, il valore dell’altezza del cilindro riportato nelle tabelle

guida deve essere ridotto al fine di ridurre il rapporto di compressione, viceversa per

pressioni atmosferiche dell’ambiente di prova superiori a 760 mmHg, il valore

dell'altezza del cilindro riportato nelle tabelle guida deve essere aumentato in modo tale

da incrementare il rapporto di compressione.

Figura 3.1 - Il knockmeter indicator caratterizzato

da una scala relativa di 100 divisioni.

II metodo di determinazione del numero di ottano Motor descritto nella norma ASTM D

2700 è utilizzato per la caratterizzazione di combustibili con numero di ottano compreso

tra 40 e 120, il cui andamento, diagrammato in funzione dell'altezza del cilindro del

motore CFR e riportato nella Figura 3.2, mostra un comportamento non lineare al di

sopra del valore 100 N.O. e al di sotto di 40 N.O..

Figura 3.2 - Andamento del numero di ottano Motor in funzione

dell’altezza del cilindro del motore CFR.


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22

Figura 3.3 - Installazione del micrometro per la valutazione

dell’altezza del cilindro del motore CFR.

Il rapporto di compressione del motore CFR può essere calcolato secondo l’espressione:

dove l’altezza del cilindro, espressa in pollici, viene valutata grazie all’ausilio di un

micrometro installato come mostrato in Figura 3.3.

3.3 Condizioni operative imposte dalla norma ASTM D 2700.

La procedura di determinazione del numero di ottano Motor del combustibile in esame,

secondo la norma ASTM D 2700, impone il rispetto delle seguenti condizioni operative

durante una prova:

velocità di rotazione: 900 ± 9 giri/minuto con variazione massima ammissibile

di 9 giri/minuto durante una prova;

temperatura dell'aria aspirata: 38 °C ± 2.8 °C;

umidità assoluta dell'aria aspirata: compresa tra 3.56 e 7.12 g vapore acqueo/kg aria secca;

temperatura della miscela carburata: 149 °C ± 1 °C;


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23

liquido di raffreddamento del motore: miscela di acqua e glicole la cui

temperatura durante una prova deve essere di 100 °C ± 1.5 °C. Tale temperatura

deve mantenersi costante entro ± 0.5 °C durante una prova. A motore fermo il

liquido refrigerante deve trovarsi al livello inferiore del vetro spia della torre

evaporativa. A motore in funzione il livello del liquido di raffreddamento deve

corrispondere all’indicazione LEVEL HOT della torre evaporativa con uno

scostamento massimo di ± 1 cm;

olio lubrificante: gradazione SAE 30 con viscosità cinematica compresa tra 9.3 e

12.5 mm2s, misurata a 100 °C;

temperatura dell'olio lubrificante: 57 °C ± 8 °C

pressione dell'olio lubrificante: compresa tra 1.7 e 2.1 bar;

anticipo di accensione: variabile automaticamente in funzione dell'altezza del

cilindro.

3.4 Procedura di determinazione del numero di ottano Motor.

La norma ASTM D 2700 descrive tre distinti metodi di valutazione del numero di

ottano Motor per un combustibile di impiego nei motori ad accensione comandata: il

metodo Bracketing - Equilibrium Fuel Level, il metodo Bracketing - Dynamic Fuel

Level ed il metodo del “rapporto di compressione”. La valutazione del numero di ottano

Motor di miscele di benzina e gas naturale compresso in proporzioni variabili è stata

condotta attraverso il metodo Bracketing - Equilibrium Fuel Level, che prevede

l'impiego di due miscele di combustibili di riferimento (PRF blend: Primary Reference

Fuel blend) create con percentuali di iso-ottano e n-eptano, tali da inquadrare con i loro

numeri di ottano quello del campione di combustibile in prova. La procedura di

determinazione del numero di ottano Motor di un campione del combustibile in prova

prevede di alimentare il motore CFR con il combustibile in esame e di variare l'altezza

del cilindro, in modo tale da ottenere un valore pari a circa 50 divisioni del knockmeter

indicator. A questo punto bisogna agire sulla ghiera della vaschetta del carburatore che

regola il battente piezometrico del campione di combustibile in prova e si devono

registrare, per ogni variazione di dosatura, i valori forniti dal knockmeter indicator, al

fine di determinare la dosatura che fornisce la massima intensità di detonazione.


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24

L’andamento caratteristico dell’intensità di detonazione in funzione della dosatura del

combustibile è mostrato in Figura 3.4.

Figura 3.4 - Andamento dell’intensità di detonazione in funzione della dosatura.

In seguito, solo se ciò si rende necessario, occorre regolare l'altezza del cilindro agendo

sulla manovella, al fine di ottenere un valore del knockmeter indicator pari a 50 ± 2

divisioni. L'altezza del cilindro, così individuata, ossia il rapporto di compressione del

motore CFR, rimarrà costante per tutto il seguito della prova. Successivamente è

necessario stimare, tramite le tabelle guida, il numero di ottano del campione di

combustibile in prova, avvalendosi del valore dell’altezza del cilindro del motore CFR

indicato dal micrometro, compensato tramite il coefficiente correttivo della pressione

ambiente. La stima del numero di ottano del campione di combustibile in prova prevede

la preparazione di due PRF blend che devono avere numeri di ottano noti e tali da

inquadrare il valore stimato per il campione di combustibile in esame. La differenza

massima in termini di numero di ottano tra i due PRF blend dipende, come mostrato

nella Tabella 3.1, dal valore del numero di ottano stimato secondo la precedente

procedura per il campione di combustibile in prova. A questo punto si deve alimentare il

motore CFR con il PRF blend 1, accuratamente preparato, e si deve agire sulla ghiera

della vaschetta del carburatore, dove è stato introdotto il PRF blend 1, per regolarne il

battente piezometrico in modo tale da determinare la dosatura che fornisce la massima

intensità di detonazione, e si annota il corrispondente valore del knockmeter indicator.

Successivamente di deve alimentare il motore CFR con il PRF blend 2, accuratamente


_____________________________________________________________________________________

25

preparato, e si deve agire sulla ghiera della vaschetta del carburatore, dove è stato

introdotto il PRF blend 2, per regolarne il battente piezometrico in modo da determinare

la dosatura che fornisce la massima intensità di detonazione, e si registra il

corrispondente valore del knockmeter indicator.

Range N.O Massima differenza consentita tra due miscele PFR

da 72 a 80 2.4

da 80 a 100 2.00

da 100.0 a 100.7 Usare miscele PFR tra 100.0 e 100.7




da 103.5 a 108.6 Usare PFR blend che differiscono tra loro 0.2 mL TEL/U.S. gal in soluzione

da 108.6 a 115.5 Usare PFR blend che differiscono tra loro 0.5 mL TEL/ U.S. gal in soluzione

da 115.5 a 120.3 Usare PFR blend che differiscono tra loro 1.0 mL TEL/ U.S. gal in soluzione

Tabella 3.1 - Massima differenza consentita tra i N.O. dei due PRF blend che devono

inquadrare il N.O. del campione di combustibile in esame.

La norma ASTM D 2700 prevede che se i valori del knockmeter indicator, ottenuti per i

PRF blend, inquadrano il valore del knockmeter indicator, ottenuto con il campione di

combustibile in esame, si può proseguire la prova. Viceversa si devono realizzare altri

PRF blend che inquadrino meglio il valore del knockmeter indicator ottenuto con il

campione di combustibile in esame. Durante la prova per la determinazione del numero

di ottano di un combustibile campione, il motore CFR viene alimentato alternativamente

con combustibili caratterizzati da numeri di ottano diversi e durante il passaggio da una

vaschetta di alimentazione all'altra possono rimanere nel rubinetto selettore e nel

carburatore dei residui che ritardano l'ottenimento della reale intensità di detonazione

del combustibile che in quel momento sta alimentando il motore CFR. Pertanto la

norma ASTM D 2700 prevede due serie di letture del knockmeter indicator, secondo la

sequenza mostrata nella Tabella 3.2: due letture relative al campione di combustibile in

prova e due letture relative a ciascun PRF blend. Queste, rappresentano una prova, a

patto che la differenza tra i valori calcolati durante la prima e la seconda serie di

rilevazioni non sia maggiore di 0.3 N.O. e che la media dei valori relativi al campione di

combustibile in esame sia compresa tra 45 e 55 divisioni del knockmeter indicator.

Qualora le due serie di letture non dovessero soddisfare questa condizione si eseguirà

una terza serie di rilevazioni, secondo il seguente ordine: campione di combustibile in

prova, PRF blend 1, PRF blend 2.


_____________________________________________________________________________________

26

Tabella 3.2 - Sequenza delle letture del knockmeter indicator.

Eseguire queste serie di letture consente di ridurre possibili errori nella valutazione

dell’intensità di detonazione del combustibile che sta alimentando il motore e di

controllare la ripetitività delle misure. La seconda e la terza serie di rilevazioni

costituiscono una prova solo se la differenza tra i valori rilevati non sia maggiore di 0.3

N.O. e che la media, tra il secondo e il terzo valore rilevato per il campione di

combustibile in prova, sia compresa tra 45 e 55 divisioni del knockmeter indicator.

Inoltre l'altezza del cilindro del motore CFR, relativa al campione di combustibile in

prova, compensata del coefficiente di correzione della pressione ambiente, non deve

essere maggiore di ±0.014 [in] rispetto al valore indicato dalla tabella guida

relativamente al numero di ottano finale, determinato sperimentalmente. Se questa

condizione non risulta verificata il numero di ottano determinato per il campione di

combustibile in esame non è riferito alla intensità di detonazione standard, pertanto sarà

necessario tarare nuovamente il knockmeter.

3.5 Calcolo del N.O. secondo la procedura Bracketing - Equilibrium Fuel Level.

Il numero di ottano Motor del campione di combustibile in esame viene calcolato

secondo il metodo Bracketing - Equilibrium Fuel Level attraverso un procedimento di

interpolazione lineare valutato sulle medie delle letture del knockmeter indicator,

attraverso l’equazione:

Letture del knockmeter indicator

Campione in esame

PFR blend N°1

PFRblend N°2

Campione in esame

PFR blend N°2

PFR blend N°1

Campione in esame

PFR blend N°1

PFR blend N°2

1° SERIE {

2° SERIE {

3° SERIE {


_____________________________________________________________________________________

27

(

) ( )

i termini rappresentano rispettivamente:

N. O.s : numero di ottano del combustibile in prova;

N.O.lrf: numero di ottano più basso tra i due PRF blend;

N.O.hrf: numero di ottano più alto tra i due PRF blend;

K.I.s: intensità di detonazione del campione di combustibile in prova;

K.I.lrf: intensità di detonazione del PRF blend a più basso N.O.;

K.I.hrf: intensità di detonazione del PRF blend a più alto N.O..

Per valori inferiori a 72 N.O. e superiori a 103.5 N.O. la norma ASTM D 2700 prescrive

di arrotondare il valore all'intero più vicino, mentre per valori compresi tra 72 N.O. e

103.5 N.O. prescrive di arrotondare il valore al decimale più vicino.

3.6 Altri indici per la valutazione dell’intensità di detonazione.

Esistono altri indici che esprimono le caratteristiche antidetonanti dei combustibili come

il Road O.N. (Road Octane Number) e l'indice AKI (Antiknock Index).

Il Road O.N. è calcolato tramite una correlazione empirica che è la seguente:

dove RON e MON rappresentano rispettivamente i numeri di ottano dei combustibili

valutati secondo i metodi Motor e Research e k1 k2,k3 sono delle costanti variabili in

relazione al veicolo che si considera.

L'indice AKI invece è il parametro commerciale impiegato negli Stati Uniti per la

vendita dei combustibili alla pompa e approssima il Road O.N. per qualsiasi tipo di

veicolo secondo la relazione:


_____________________________________________________________________________________

28

N

.

O

.

3.7 Taratura del micrometro.

Il micrometro che misura l'altezza del cilindro del motore CFR, da cui si ricava il

rapporto di compressione, deve essere tarato in modo tale da poter utilizzare in modo

corretto le tabelle guida per la valutazione del numero di ottano. La procedura standard

di taratura del micrometro, descritta dalla norma ASTM D 2700, prevede di alimentare

il motore CFR con una benzina convenzionale, in modo tale da portare il motore nelle

condizioni prescritte dalla norma stessa e descritte al Paragrafo 3.3. Quindi dopo aver

spento il motore si sostituisce il sensore di detonazione con l'apposito manometro (Fig.

3.5) e si rileva la pressione massima in camera di combustione a motore trascinato. Per

una lettura del micrometro pari a 0.352 [in] la pressione in camera di combustione,

quando il motore CFR è trascinato, deve essere quella indicata nel diagramma di Figura

3.6 e relativa alla dimensione del diametro del Venturi montato nel carburatore che

dipende dall’altitudine del laboratorio dove è installato il motore.

Figura 3.5 - Manometro utilizzato per la taratura del micrometro.

Queste operazioni devono essere svolte molto velocemente, in modo tale da poter

riferire le misure rilevate al regime termodinamico prescritto dalla norma.

Per quanto riguarda la pressione vigente nell'ambiente di prova questa può essere

rilevata avvalendosi di un sensore di pressione.


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29

Figura 3.6 - Diagramma impiegato per la taratura del micrometro.

3.8 Taratura del knockmeter.

Prima di ogni prova di determinazione del numero di ottano Motor di un campione di

combustibile, la norma ASTM D 2700 prescrive la taratura del knockmeter in modo tale

da produrre una intensità di detonazione standard. La procedura di taratura prevede la

preparazione di un PRF blend caratterizzato da un numero di ottano noto prossimo al

numero di ottano del campione di combustibile da esaminare. Dopo aver valutato,

attraverso le tabelle guida, l'altezza del cilindro del motore CFR corrispondente al

numero di ottano noto del PRF blend e dopo aver compensato tale valore tramite il

coefficiente correttivo della pressione ambiente, si agisce sulla ghiera della vaschetta del

carburatore dove è stato introdotto il PRF blend, con numero di ottano noto, per

regolarne il battente piezometrico, in modo tale da determinare la dosatura che fornisce

la massima intensità di detonazione. Quindi si agisce sul selettore “METER

READING” (Fig. 3.7) in modo tale che il knockmeter indicator segni un valore di 50 ±

2 divisioni.

[ in Hg]


_____________________________________________________________________________________

30

Fig. 3.7 - Le due manopole “SPREAD” e “METER READING” per la

regolazione del corretto numero di divisioni del knockmeter indicator che devono

intercorre tra due successivi numeri di ottano.

3.9 Regolazione dello spread del knockmeter.

La sensibilità dell’indicatore di detonazione, denominata spread, deve essere regolata in

modo tale da impostare il corretto numero di divisioni del knockmeter che devono

intercorre tra due successivi numeri di ottano. L’andamento caratteristico dello spread,

diagrammato in funzione del numero di ottano, è riportato nella Figura 3.8.

Tale andamento caratteristico trasla lungo l’asse verticale in relazione al punto in cui

viene eseguita la regolazione dello spread del knockmeter. Osservando tale andamento

si nota che la sensibilità dell’indicatore di detonazione non è costante al variare del

numero di ottano, infatti lo strumento è caratterizzato da una bassa sensibilità in

corrispondenza ad un numero di ottano nell’intorno di 80 N.O. ed una elevata sensibilità

nell’intorno di un numero di ottano pari a 100 N.O.. La norma ASTM D 2700 consiglia

di impostare uno spread di 12 divisioni della scala per un numero di ottano pari a 90

N.O.. La regolazione dello spread del knockmeter si effettua tramite i due selettori

installati nel pannello di controllo del motore CFR, indicati come “SPREAD” e

“METER READING”. La procedura di regolazione dello spread prescrive di alimentare

il motore CFR con un PRF blend, caratterizzato da un numero di ottano noto prossimo

al numero di ottano del campione di combustibile da esaminare, e di impostare l’altezza

del cilindro, prevista dalla norma ASTM D 2700, in modo tale da produrre una intensità


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31

di detonazione standard. Successivamente per incrementare la sensibilità bisogna

aumentare il numero di divisioni per numero di ottano ruotando in senso orario la

manopola “SPREAD” fino ad un valore superiore o uguale a 80 e poi agendo sulla

manopola “METER READING” si riporta l'indicazione del knockmeter indicator al

valore di 50 ± 3 divisioni.

Figura 3.8 - Andamento caratteristico dello spread del knockmeter

diagrammato in funzione del numero di ottano.

Viceversa per ridurre la sensibilità dell’indicatore di detonazione, ossia il numero di

divisioni per numero di ottano, occorre ruotare in senso antiorario la manopola

SPREAD, fino ad un valore minore o uguale a 20 e riportare l'indicazione del

knockmeter indicator ad un valore di 50 ± 3 divisioni.

3.10 Verifica dello spread del knockmeter.

Una corretta procedura di determinazione del numero di ottano di un combustibile

prevede che ogni volta che si esegue la taratura del knockmeter bisogna verificare il

valore dello spread e per farlo si possono utilizzare due metodi distinti, i quali

prevedono l’impiego o di un solo PRF blend o di due PRF blend. In entrambi i casi la

dosatura di alimentazione del motore CFR deve essere pari a quella che determina la

massima intensità di detonazione. Il metodo con due miscele di combustibili di

riferimento primari prevede la preparazione di due PRF blend caratterizzati da una


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32

differenza in termini di N.O. pari ad uno. Si imposta l’altezza del cilindro del motore

CFR al valore prescritto dalle tabelle guida per il numero di ottano del primo PRF

blend, compensata attraverso il coefficiente correttivo della pressione ambiente, e si

registra l'indicazione del knockmeter indicator. Successivamente si imposta l’altezza del

cilindro del motore CFR, al valore prescritto dalle tabelle guida, per il numero di ottano

del secondo PRF blend, compensata attraverso il coefficiente correttivo della pressione

ambiente, e si registra l'indicazione del knockmeter indicator. La differenza tra le due

letture del knockmeter indicator, espressa in termini di numero di divisioni della scala,

restituisce la misura dello spread.

Il metodo con una miscela di combustibile di riferimento prevede la preparazione di un

solo PRF blend con numero di ottano noto. Si imposta l’altezza del cilindro del motore

CFR, al valore prescritto dalle tabelle guida, per il numero di ottano del PRF blend,

compensata attraverso il coefficiente correttivo della pressione ambiente, e si registra

l'indicazione del knockmeter indicator. Successivamente agendo sulla manovella di

regolazione si imposta l’altezza del cilindro del motore CFR, al valore prescritto dalle

tabelle guida, per un numero di ottano superiore o inferiore a quello del PRF blend,

compensata attraverso il coefficiente correttivo della pressione ambiente, e si registra

l'indicazione del knockmeter indicator. La differenza tra le due letture del knockmeter

indicator eseguite in termini di numero di divisioni della scala, fornisce la misura dello

spread. Questa seconda procedura è stata utilizzata nel corso della campagna

sperimentale.

3.11 Combustibili di riferimento.

Le PRF blend impiegate nella procedura per la determinazione del numero di ottano si

ottengono miscelando: iso-ottano e n-eptano. La norma ASTM D 2700 prescrive che i

combustibili di riferimento devono rispettare precise caratteristiche, sia per quanto

riguarda la loro composizione, sia per quanto riguarda i modi di impiego. L'iso-ottano

deve avere una purezza non inferiore al 99.75 %, non deve contenere più dello 0.1% in

volume di n-eptano e non più di 0.5 mg/1 di piombo tetraetile. L'n-eptano deve avere

una purezza non inferiore al 99.75 %, non deve contenere più dello 0.1% in volume di

iso-ottano e non più di 0.5 mg/1 di piombo tetraetile.


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33

3.11.1 Iso-ottano.

Iso-ottano è il nome con cui si indica il 2,2,4 trimetilpentano, idrocarburo alifatico

ramificato, appartenente alla famiglia degli alcani, avente formula chimica:

CH3C(CH3)2CH2CH(CH3)CH3 (Fig. 3.9). In condizioni ambiente l’iso-ottano si presenta

come un liquido incolore, insolubile in acqua, poco solubile in alcol e in etere,

moderatamente volatile e molto infiammabile. Dotato di un elevato potere antidetonante

viene scelto come termine di confronto nella determinazione del numero di ottano dei

combustibili, e gli viene assegnato convenzionalmente il valore 100 N.O.. Infatti da

studi effettuati sui motori alternativi ad accensione comandata risulta che gli idrocarburi

alifatici ramificati possiedono una tendenza alla detonazione inferiore rispetto agli

idrocarburi alifatici lineari. Si ottiene sinteticamente per polimerizzazione dell’etilene e

idrogenazione del tetramero formato, o per alchilazione dell’isobutano con butene.

Figura 3.9 - Struttura chimica 2D e 3D dell’iso-ottano.

L’iso-ottano è un solvente particolarmente utile nella formulazione di benzine

contenenti etanolo, grazie alla sua bassissima volatilità che controbilancia l'altissima

volatilità dell'etanolo.

3.11.2 Normal-eptano.

II normal-eptano (n-eptano) è un idrocarburo alifatico ramificato, appartenente alla

famiglia degli alcani, avente formula chimica: CH3(CH2)5CH3 (Fig. 3.10)..

A temperatura ambiente si presenta come un liquido incolore e dall'odore pungente,

molto infiammabile, irritante per la pelle, altamente inquinante e nocivo. Caratterizzato

da un basso potere antidetonante viene utilizzato come termine di confronto nella


_____________________________________________________________________________________

34

determinazione del numero di ottano dei combustibili, al quale viene assegnato

convenzionalmente il valore 0 N.O..

Figura 3.10 - Struttura chimica 2D e 3D dell’n-eptano.

Dall'esame delle caratteristiche chimico-fisiche dell’iso-ottano e dell’n-eptano, riassunte

nella Tabella 3.3, si nota subito che nel caso dell'iso-ottano la temperatura di

autoignizione è quasi il doppio di quella dell'n-eptano, ciò sottolinea la maggiore

resistenza alla detonazione dell'iso-ottano.

CARATTERISTICHE ISO-OTTANO N-EPTANO

Aspetto liquido incolore liquido incolore

Temperatura di fusione -107 °C -90 °C

Temperatura di ebollizione 99 °C 98 °C

Limiti di esplosione 1 - 6 % Vol. 1 – 7 % Vol.

Flash point 4.5 °C -1 °C

Temperatura di autoignizione 410 °C 215 °C

Tabella 3.3 Confronto tra le caratteristiche principali dell’iso-ottano e il n-eptano.

3.11.3 Blend 80.

Il Blend 80 è una miscela di iso-ottano e n-eptano preventivamente preparata e

caratterizzata da un numero di ottano certificato pari a 80 N.O.. Per semplificare la

procedura di realizzazione dei PRF blend con numero di ottano Motor superiore a 80

N.O. e per ridurre gli errori che possono derivare dalla miscelazione di combustibili di

riferimento si preferisce ricorrere all’impiego di Blend 80.


_____________________________________________________________________________________

35

N.O. % Blend 80 % Iso-ottano N.O. % Blend 80 % Iso-ottano

80 100 0 91 45 55

81 95 5 92 40 60

82 90 10 93 35 65

83 85 15 94 30 70

84 80 20 95 25 75

85 75 25 96 20 80

86 70 30 97 15 85

87 65 35 98 10 90

88 60 40 99 5 95

89 55 45 100 0 100

90 50 50 - - -

Tabella 3.4 - Composizione del Blend 80 con iso-ottano, per numeri di ottano

compresi tra 80 N.O. e 100 N.O..

Le miscele di GNC e benzina da testare per questo lavoro di tesi sono caratterizzate da

numeri di ottano superiori a 80 N.O., e sono state realizzate miscele di riferimento

utilizzando Blend 80 e iso-ottano, rispettando la relazione:

con la quale si realizza la Tabella 3.4.

3.11.4 Piombo tetraetile.

Per la caratterizzazione di combustibili con numero di ottano Motor superiore a 100

N.O. la norma ASTM D 2700 prescrive l’uso di piombo tetraetile (TEL) che aumenta il

numero di ottano dell’iso-ottano a valori superiori a 100 N.O., secondo i valori riportati

nella Tabella 3.5. Il piombo tetraetile indicato dalla sigla TEL è un composto tossico

della classe dei metallorganici, descritto dalla formula chimica (CH3CH2)4Pb (Fig.

3.11). In condizioni ambiente si presenta come un liquido viscoso incolore, ottenuto

dalla reazione di cloruro di etile con una lega piombo sodio. Il TEL è stato impiegato

nella produzione delle benzine per motori ad accensione comandata prima che il suo uso

fosse bandito a causa dell’elevata tossicità.


_____________________________________________________________________________________

36

TEL[ml/U.S. gal.] N.O. TEL[ml/U.S. gal.] N.O.

0.00 100 1.20 109.6

0.05 100.7 1.40 110.5

0.10 101.3 1.50 111

0.20 102.5 2.00 112.8

0.30 103.5 2.50 114.3

0.40 104.4 3.00 115.5

0.50 105.3 3.50 116.6

0.60 106 4.00 117.5

0.70 106.8 4.50 118.3

0.80 107.4 5.00 119.1

0.90 108 5.50 119.7

1.00 108.6 6.00 120.3

Tabella 3.5 - Quantità di TEL puro espresse in ml da aggiungere ad un

gallone U.S. di iso-ottano per ottenere miscele di riferimento con numero di

ottano superiore a 100 N.O..

Il legame piombo-carbonio è un legame debole, infatti alle temperature raggiunte nei

motori alternativi ad accensione comandata si decompone in piombo e radicali etilici

formando ossidi solidi che tenderebbero a incrostare le parti meccaniche. Per evitare

questo inconveniente veniva miscelato con bromuro di etile formando composti volatili

quali il bromuro di piombo e il cloruro di piombo.

Figura 3.11 Struttura chimica 2D e 3D del piombo tetraetile.

3.12 Miscelazione dei combustibili di riferimento.

I PRF blend, impiegati per la determinazione del numero di ottano Motor dei campioni

di combustibili in esame, devono essere preparati con un elevato grado di precisione.


_____________________________________________________________________________________

37

La norma ASTM D 2700 prescrive l’uso di burette di misura calibrate (Fig. 3.12) dotate

di zero automatico con una capacità pari a quella necessaria per effettuare una prova al

motore CFR, pari a 400ml. La norma prescrive che ogni combustibile di riferimento

deve avere la sua buretta di misura. Queste montate in posizione verticale, in modo tale

che non si manifestino vibrazioni, aspirano i combustibili di riferimento, attraverso un

apposito circuito dotato di una pompa. Il combustibile di riferimento aspirato, fluisce

attraverso il canale di adduzione, riversandosi nella buretta di misura fino a quando non

trabocca dallo zero automatico. La percentuale in volume di combustibile di

riferimento, necessaria alla preparazione di un PRF blend di confronto, viene spillata

agendo su un apposito rubinetto e valutata tramite la scala graduata, riportata sulla

buretta di misura (Fig. 3.12). La precisione delle burette di misura impiegate per la

preparazione dei PRF blend necessari per il confronto, deve essere periodicamente

controllata da laboratori specializzati in modo tale da garantirne costantemente la

precisione di misura.

Figura 3.12 Buretta di misura calibrata per la preparazione

delle miscele di riferimento dei combustibili primari.


_____________________________________________________________________________________

38

In alternativa al metodo delle burette di misura calibrate, la norma ASTM D 2700

consente l’uso del metodo gravimetrico. Tale metodo prevede la valutazione delle

densità dei combustibili di riferimento, grazie alle quali si convertono i volumi di tali

combustibili nei corrispettivi in massa. Ciò consente la realizzazione delle miscele di

riferimento con l’uso di una bilancia da laboratorio.

.


_____________________________________________________________________________________

39

Capitolo 4.

Il motore CFR e l’apparato sperimentale.

4.1 Introduzione.

Il motore CFR (Cooperative Fuel Research), impiegato per la determinazione del

numero di ottano Motor delle miscele di benzina e gas naturale compresso (GNC), è il

modello CFR-48 (Fig. 4.1) costruito dalla Waukesha Motor Company, con sede in

Wisconsin, Stati Uniti. La strumentazione di questo motore CFR, installato nel

Laboratorio di Motori del Dipartimento di Ingegneria Chimica, Gestionale, Informatica,

Meccanica dell’Università degli Studi di Palermo (Fig. 4.2), è stata implementata per

consentire l’impiego dei moderni sistemi di acquisizione dei dati al fine di migliorare il

processo di acquisizione dei dati rispettando le tolleranze previste dalla norma

internazionale di riferimento ASTM D 2700.

Figura 4.1 - Motore CFR, modello CFR-48.


_____________________________________________________________________________________

40

Figura 4.2 - Laboratorio di Sperimentazione: (A) motore CFR-48, (B) vetreria dei

reagenti, (C) bombola del GNC caricata a 100 bar, (D) linea di alimentazione del GNC,

(E) PC di gestione del sistema di iniezione del motore CFR.

Lo schema complessivo delle connessioni tra i componenti dell’apparato strumentale,

implementato sul motore CFR-48, è mostrato nella Figura 4.35 riportata alla fine di

questo capitolo. Ogni singolo componente è stato contrassegnato con un numero in

modo tale da consentirne una rapida individuazione durante la trattazione.

4.2 Specifiche del motore CFR-48.

Il motore CFR (31), modello CFR-48 utilizzato, come prescritto dalla norma ASTM D

2700, è un motore monocilindrico da 612 cm3, 4 tempi, ad accensione comandata. Il

sistema di accensione del motore è del tipo a scarica capacitiva e prevede un sistema di

fasatura variabile dell’anticipo di accensione, in funzione dell’altezza del cilindro

secondo una precisa funzione prevista dalla norma ASTM D 2700.


_____________________________________________________________________________________

41

Altezza del cilindro Anticipo di accensione

[in] [°BTDC]

0.825 26

0.773 25

0.721 24

0.669 23

0.617 22

0.565 21

0.513 20

0.461 19

0.408 18

0.356 17

0.304 16

0.252 15

0.200 14

Tabella 4.1 - Valori dell’anticipo di accensione del

motore CFR-48, in funzione dell'altezza del cilindro.

Nella Tabella 4.1 sono riportati i valori dell’anticipo di accensione del motore CFR-48,

espresso in gradi di anticipo rispetto al punto morto superiore (°BTDC), ed il cui

andamento caratteristico è diagrammato in Figura 4.3.

Figura 4.3 - Andamento dell’anticipo di accensione del motore CFR-48, in funzione

dell’altezza del cilindro, secondo la norma ASTM D 2700.

y = 19.19x + 10.163

R² = 1

12

14

16

18

20

22

24

26

28

0.100 0.200 0.300 0.400 0.500 0.600 0.700 0.800 0.900

An

tici

po

di

acc

ensi

on

e [°

BT

DC

]

Altezza del cilindro [in]


_____________________________________________________________________________________

42

Il meccanismo di variazione automatica dell’anticipo di accensione del motore CFR-48,

in funzione dell’altezza del cilindro, è costituito da un sistema di leve mostrato in Figura

4.4; mentre la variazione continua dell’altezza del cilindro, misurata con l’ausilio di un

micrometro, è ottenuta agendo su una manovella di comando, la quale a sua volta aziona

una vite senza fine collegata alla testa del cilindro, consentendo quindi la variazione

continua del rapporto di compressione del motore CFR-48, da un minimo di 4:1 ad un

massimo di 16:1 (Fig. 4.4).

Figura 4.4 - A sinistra: sistema di variazione automatica della fasatura di accensione al variare

dell’altezza del cilindro; a destra: manovella di comando per la regolazione dell’altezza del

cilindro.

Il sistema di lubrificazione del motore CFR-48 è del tipo a circolazione forzata

dell’olio, ottenuta grazie ad una pompa ad ingranaggi (Fig. 4.5). Un riscaldatore a

resistenza, comandato da un selettore, posto nel pannello di controllo del motore CFR-

48, consente di mantenere la temperatura dell’olio lubrificante a 57 °C ± 8 °C.

Il motore è dotato di un sistema di riduzione delle vibrazioni dovute al moto del

manovellismo: infatti le forze alterne del primo ordine del manovellismo di spinta sono

equilibrate attraverso la rotazione di contrappesi, montati su due alberi di

equilibramento controrotanti (Fig. 4.5). Il cinematismo delle valvole (Fig. 4.5 e 4.6) è

del tipo ad aste e bilancieri con albero a camme posto nel basamento del motore.


_____________________________________________________________________________________

43

Figura 4.5 - Vista in sezione del motore e particolari costruttivi.


_____________________________________________________________________________________

44

Il gioco delle valvole a motore freddo deve essere rispettivamente 0.102 mm, per la

valvola di aspirazione e 0.356 mm per quella di scarico. La valvola di aspirazione

prevede inoltre uno speciale deflettore che impone un moto di swirl dentro la camera di

combustione del motore (Fig. 4.5).

Figura 4.6 - Cinematismo delle valvole del motore CFR-48.

Il volano del motore CFR-48 è collegato tramite due cinghie trapezoidali ad un motore

elettrico sincrono (8) il quale, alimentato con una tensione di 380V, svolge tre funzioni

principali:

consente l’avviamento del motore alternativo;

mantiene, durante le prove, la velocità di rotazione del motore alternativo

costantemente pari a 900 ± 9 giri/minuto, come prescritto dalla norma ASTM D

2700, quando questo viene alimentato con combustibile (firing: :il motore

alternativo è frenato da quello elettrico );

mantiene la velocità di rotazione del motore alternativo, pari a 900 ± 9

giri/minuto, quando questo non è alimentato con alcun combustibile (motoring:

il motore alternativo è trascinato da quello elettrico).

Il motore CFR-48 prevede un sistema di scarico dei gas combusti costituito da un tubo

flessibile, collegato ad un polmone che consente di smorzare le oscillazioni della

pressione dei gas di scarico e di ridurre la rumorosità del motore (Fig. 4.7).

Il collegamento tra questi due elementi che costituiscono l’impianto di scarico dei gas

esausti deve essere tale da non produrre oscillazioni anomale nel tubo flessibile.


_____________________________________________________________________________________

45

La contropressione dei gas esausti allo scarico deve essere la più bassa possibile,

evitando che questa scenda al di sotto di 0.25 bar rispetto alla pressione ambiente.

Figura 4.7 - Impianto di scarico dei gas esausti del ciclo di combustione.

Il sistema di raffreddamento del cilindro e della testa del motore CFR, impiega una torre

evaporativa (7), al cui interno è installata una serpentina di condensazione del liquido

refrigerante del motore. La serpentina di condensazione, posta al disopra del livello del

fluido refrigerante del motore (fluido primario), è alimentata con un fluido secondario

proveniente da un circuito ausiliario che provvede anche alla refrigerazione della

benzina aspirata dal sistema di alimentazione ad iniezione del motore. Quando il motore

alternativo è in funzione il fluido primario, circolando dentro la camicia del cilindro,

asporta il calore dalla testa e dal cilindro, si riscalda attraverso un processo di

convezione naturale e si riversa nella torre evaporativa, dove una porzione di questo

fluido primario, evaporando, intercetta la serpentina che a sua volta condensa il vapore

che si è generato. Pertanto il fluido primario condensato ritorna nel fondo della torre

evaporativa, da dove rientra in circolo. La misura della temperatura del fluido di

raffreddamento della testa e del cilindro del motore CFR avviene attraverso l’impiego di

una termocoppia di tipo K, collegata ad un termometro digitale (13), il quale consente

anche la rilevazione della temperatura ambiente, necessaria per effettuare le valutazioni

relative all’umidità dell’ambiente di prova, tramite l’uso di una seconda termocoppia di

tipo K.


_____________________________________________________________________________________

46

Figura 4.8 - A sinistra: vista complessiva del motore CFR-48; al centro: scambiatore di

calore a piastre impiegato per il raffreddamento della benzina (32); a destra: la torre

evaporativa del circuito primario di raffreddamento del motore CFR-48.

4.3 Sistema di alimentazione del motore CFR-48.

Il sistema di alimentazione del motore CFR-48, impiegato per la determinazione del

numero di ottano Motor delle miscele di benzina e gas naturale compresso, è costituito

da due circuiti indipendenti (Fig. 4.9):

il circuito originale: costituito da un carburatore (29) corredato da tre vaschette

singolarmente regolabili in altezza, per la regolazione della dosatura della

miscela con la quale si sta alimentando il motore CFR;

il circuito aggiunto: costituito da un porta iniettori (28) sul quale sono stati

montati due iniettori, elettronicamente controllati, uno impiegato per

l’alimentazione a gas (6) e l’altro impiegato per l’alimentazione a benzina (18).


_____________________________________________________________________________________

47

Figura 4.9 - A sinistra: sistema di alimentazione a carburatore; a destra: sistema di

alimentazione ad iniezione del combustibile.

Il circuito di alimentazione aggiunto consente l’alimentazione del motore CFR-48 con

solo gas, con sola benzina o nella configurazione double-fuel.

4.3.1 Sistema di alimentazione a carburatore.

Per la determinazione del numero di ottano Motor delle miscele di benzina e gas

naturale compresso (GNC), il sistema di alimentazione a carburatore è stato

principalmente impiegato per alimentare il motore CFR con PRF blend.

Il motore CFR-48 prevede un sistema di alimentazione originale, costituito da un

carburatore (29) corredato da tre vaschette e da una valvola selettrice (selector valve) che

consente di selezionare la vaschetta dove è contenuto il PRF blend con il quale si

intende alimentare il motore CFR (Fig. 4.10). Durante la prova per la determinazione

del numero di ottano Motor di un combustibile campione, la norma ASTM D 2700

prescrive che il motore CFR venga alimentato alternativamente con PRF blend

caratterizzati da numeri di ottano diversi. Durante il passaggio da una vaschetta di

alimentazione all'altra, nel rubinetto selettore e nel carburatore possono rimanere dei

residui che ritardano l'ottenimento della reale intensità di detonazione del PRF blend

che in quel momento sta alimentando il motore CFR. Pertanto la norma ASTM D 2700

prescrive che, per ridurre possibili errori, indotti nella valutazione dell’intensità di

detonazione del PRF blend, è necessario effettuare delle serie di letture del knockmeter

indicator (Paragrafo 3.4).


_____________________________________________________________________________________

48

A – Porta filtro smontabile. K – Molla di tensione del selettore.

B – Filtro combustibile. L – Rubinetto selettore combustibile.

C – Vetro spia livello combustibile. M – Vetro spia livello combustibile.

D – Sede valvola ad ago del galleggiante. N – Getto verticale.

E – Galleggiante. O – Diffusore.

F – Manopola regolazione del livello del galleggiante. P – Tubetto polverizzatore.

G – Tappo a vite del getto tarato. Q – Dado di bloccaggio.

H – Pozzetto del combustibile. R – Vite di bloccaggio del diffusore.

I – Rubinetto scarico del combustibile. S – Serbatoio del combustibile.

J – Getto tarato.

Figura 4.10 - Vista in sezione del sistema di alimentazione a carburatore.

Figura 4.11 - Vista in dettaglio del sistema di alimentazione a carburatore e tabella per la

scelta della dimensione del diametro del Venturi.


_____________________________________________________________________________________

49

La variazione della dosatura della miscela carburata, misurata attraverso un piezometro,

si ottiene variando l’altezza delle vaschette del carburatore, agendo sulla ghiera di

comando che modifica il battente piezometrico del fluido contenuto in esse (Fig. 4.10).

In relazione all’altitudine del laboratorio, dove è installato il motore CFR, si sceglie

dalla tabella di Figura 4.11 la dimensione del diametro del Venturi, attraverso il quale

passa l'aria necessaria alla carburazione della miscela.

4.3.2 Sistema di iniezione della benzina.

Il sistema di alimentazione del motore CFR, con iniezione di benzina, è costituito da

una pompa elettrica (21) che aspira il combustibile da un serbatoio e la invia

all’iniettore (18). La pressione di alimentazione dell’iniettore è mantenuta

costantemente pari a circa 3 bar da un regolatore di pressione (20) e monitorata

attraverso un manometro (19), installato tra il regolatore di pressione e l’iniettore.

Il regolatore di pressione è costituito da due capacità separate da un diaframma, sul

quale agisce una molla che mantiene la valvola di ritorno del combustibile normalmente

chiusa (Fig. 4.12).

Figura 4.12 - Il regolatore della pressione della benzina.

La pressione della benzina contro il diaframma tende ad aprire la valvola del condotto

di ritorno, in modo tale che l'eccesso di carburante ritorni al serbatoio, attraverso un


_____________________________________________________________________________________

50

tubo di riflusso (23), mantenendo quindi la pressione di alimentazione dell’iniettore

costante. Gli iniettori del sistema di iniezione della benzina e del GNC sono

normalmente chiusi sotto la pressione esercitata dal combustibile e da una molla di

chiusura (Fig. 4.13). Una scheda PCI-6602 della National Instruments genera due

segnali in onda quadra che dipendono dai segnali di comando, provenienti dalla sonda

UEGO (12) e dall'encoder incrementale (11); quest’ultimo usato come trigger.

Questi due segnali in onda quadra (0-5 V) azionano due transistor IGBT che a loro

volta aprono e chiudono gli iniettori sulla base della logica di alimentazione scelta,

regolando la portata di fluido che transita attraverso gli iniettori e consentendo la

regolazione della dosatura della miscela in ingresso nella camera di combustione del

motore CFR. L’impiego di questa strumentazione ha permesso durante il corso della

campagna sperimentale di lavorare al motore CFR con miscele di benzina e GNC

globalmente stechiometriche. Durante il corso delle prove, dopo avere settato

manualmente i tempi di iniezione della benzina si è proceduto al conseguimento di

miscele di benzina e GNC globalmente stechiometriche grazie al controllo in loop-

chiuso dei tempi di iniezione del GNC. Il sistema di alimentazione ad iniezione del

motore CFR-48 è quindi elettronicamente controllato da PC e la regolazione della

dosatura della miscela si ottiene agendo sui tempi di apertura degli spilli degli iniettori.

Figura 4.13 - Sezione dell’iniettore benzina.

Osservando, nello specifico, il circuito della benzina si sottolinea che: quando il

transistor IGBT riceve il segnale di comando (5 V) chiude il circuito elettrico dove

inizia a circolare la corrente che eccita il solenoide dell’iniettore. Di conseguenza

l’ugello si apre vincendo la pressione del combustibile e della molla di chiusura,


_____________________________________________________________________________________

51

pertanto il combustibile transita. Quando il transistor IGBT non riceve più il segnale di

comando (0 V) apre il circuito elettrico e di conseguenza l’ugello si chiude sotto la

pressione del combustibile e della molla di chiusura. Ciò implica che il combustibile

non transita più. Per favorire l'evaporazione della benzina e quindi il miglioramento

della formazione della miscela, la benzina viene iniettata nel condotto di aspirazione

con una fase di 350° prima dell'apertura della valvola di aspirazione.

Figura 4.14 - Schema delle connessioni del sistema elettronico di comando

del sistema di iniezione della benzina.

Attraverso prove separate è stata rilevata la caratteristica (portata in funzione del tempo

di apertura dello spillo) dell’iniettore di benzina usato nel motore CFR.

Pertanto l’iniettore benzina installato su un apposito sostegno (Fig. 4.16) è stato

comandato attraverso un generatore di funzioni Agilent 33220A (Fig. 4.15) in grado di

generare un’onda quadra che comanda un transistor avente funzione di interruttore.

Figura 4.15 - Generatore di funzioni Agilent 33220A.


_____________________________________________________________________________________

52

Sono state eseguite diverse prove per diversi tempi di iniezione e con una pressione di

alimentazione dell’iniettore costate e pari a 3 bar. Per ogni tempo di iniezione il

generatore di funzioni è stato impostato per generare un’onda quadra di frequenza nota

e con un numero di cicli sufficienti a raccogliere in una beuta una quantità di benzina

apprezzabile. La massa di combustibile raccolta nella beuta è stata successivamente

valutata grazie ad una bilancia di precisione e, per ogni tempo di apertura considerato, è

stata calcolata la massa erogata al ciclo:

[

]

dove:

: massa erogata al ciclo [g/ciclo];

: massa totale erogata dall’iniettore [g].

Fig. 4.16 - Apparato per la determinazione della

caratteristica della portata dell’iniettore benzina.

Successivamente è stata calcolata la portata massica della benzina erogata dall’iniettore:

[kg/h]

I valori della portata del combustibile che transita attraverso l’ugello dell’iniettore

benzina, in funzione dei tempi di apertura dello spillo, sono riportati nella Tabella 4.3.


_____________________________________________________________________________________

53

Tempo di

iniezione

[ms]

Frequenza

[Hz]

N. cicli

iniezione

Massa

totale

erogata

[g]

Massa

erogata

al ciclo

[mg]

Portata

erogata

[kg/h]

1.4 7.5 3600 0 0 0

2 7.5 3600 4.35 1.21 0.033

2.5 7.5 3600 8.23 2.29 0.062

3 7.5 3600 11.51 3.2 0.086

3.5 7.5 3600 14.81 4.11 0.111

4 7.5 3600 17.87 4.96 0.134

6 7.5 2400 20.75 8.65 0.233

8 7.5 1800 21.62 12.01 0.324

10 7.5 1440 22.36 15.53 0.419

12 7.5 1200 23.11 19.26 0.52

14 7.5 1029 23.42 22.76 0.615

16 7.5 900 23.67 26.3 0.71

18 7.5 750 22.49 29.99 0.81

20 7.5 500 16.7 33.4 0.902

Tabella 4.3 - Dati sperimentali dell'iniettore benzina rilevati con la pressione di

alimentazione di funzionamento del sistema a circa 3 bar.

La correlazione ottenuta è stata implementata nel software di gestione dell’iniezione del

motore CFR-48. In questo modo agendo sui tempi di apertura dell’iniettore benzina è

stato possibile regolare la portata erogata e quindi la percentuale di benzina iniettata in

ogni ciclo. Dall’analisi dell’andamento diagrammato in Figura 4.17, si sottolinea che la

portata di combustibile erogata dall’iniettore benzina varia in maniera lineare in

funzione dei tempi di apertura dello spillo dell'iniettore. Tuttavia si evidenzia che

solamente per piccolissimi tempi di apertura la caratteristica della portata del

combustibile perde la sua linearità e che al di sotto di un tempo pari a 1.4 ms la portata

erogata dall’iniettore benzina è nulla.

L’andamento della portata dell’iniettore del gas in funzione dei tempi di apertura dello

spillo dell’iniettore, ottenuto da un precedente lavoro di ricerca1, è riportato in Figura

4.18. Dall’analisi di tale andamento si nota una zona fortemente non lineare per piccoli

tempi di apertura dello spillo dell’iniettore gas a causa degli urti. La portata del gas che

transita attraverso l’iniettore è misurata con un misuratore di portata installato nella

linea di alimentazione del gas naturale compresso (3).

_______________________ 1Bibliografia riferimento [7]


_____________________________________________________________________________________

54

Figura 4.17 - Andamento dei tempi di iniezione dell'iniettore benzina valutati con una

pressione di alimentazione di circa 3 bar.

Figura 4.18 - Caratteristica dell’iniettore gas ricavata mediante simulazione matematica

con una pressione di alimentazione di 2 bar.

y = 1,7865x - 2,2458

R² = 0,9999

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

Ma

ssa

ero

ga

ta a

l cic

lo [m

g]

Tempo di iniezione [ms]

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0

Ma

ssa

in

iett

ata

[m

g]

Tempo di iniezione [ms]


_____________________________________________________________________________________

55

4.3.3 Sistema di iniezione del GNC.

Il sistema di iniezione del gas naturale compresso (Fig. 4.19) implementato nel motore

CFR-48 è costituito da una bombola (A) all’interno della quale il gas naturale

compresso viene stoccato ad una pressione di 100 bar. In uscita dalla bombola il gas

naturale compresso incontra un primo riduttore di pressione (B) che regola la pressione

in ingresso al misuratore di portata (C) pari a circa 15 bar, questo è azionato da un

alimentatore a 18 V (G). Dopo il misuratore di portata il gas incontra un secondo

riduttore di pressione (D) affinché l’iniettore del gas (F) sia alimentato ad una pressione

di circa 3 bar. Una camera di calma (E), installata tra il secondo riduttore di pressione e

l’iniettore del gas, smorza le oscillazioni dovute al funzionamento alternato

dell’iniettore stesso che potrebbero influenzare le misure di portata rilevate dal

flussimetro.

Figura 4.19 – Elementi del sistema di alimentazione del GNC.


_____________________________________________________________________________________

56

Il flussimetro installato nella linea di alimentazione del gas (C) è il modello M13-AGD-

22-0 della serie mini CORI-FLOW della Bronkhorst Cori-Tech B.V. (Fig. 4.20).

Questo flussimetro, ad effetto Coriolis capace di misurare la portata di un fluido

indipendentemente dalla sua natura, è caratterizzato da un range di misura tale da

consentire un’accurata precisione nella valutazione della portata del gas naturale

compresso, che in configurazione double-fuel varia da 0 kg/h a 1.2 kg/h.

Figura 4.20 - Flussimetro modello M13-AGD-22-0.

L’elemento sensibile del flussimetro è costituito da un singolo tubo ad U, posto in

vibrazione da un sistema integrato nel flussimetro (Fig. 4.21). All’interno dell’elemento

sensibile ad U scorre il fluido di cui si deve misurare la portata. La portata di fluido che

transita attraverso il flussimetro viene valutata in relazione allo sfasamento indotto dalla

forza di Coriolis tra il braccio di ingresso ed il braccio di uscita dell’elemento sensibile

grazie ad un sensore che invia un segnale in tensione continua, variabile nel range 0-5 V

e proporzionale al valore di portata del fluido.

Figura 4.21 Elemento sensibile del flussimetro modello M13-AGD-22-0.


_____________________________________________________________________________________

57

4.4 Misura della dosatura.

Per effettuare la rilevazione della dosatura, l’apparato strumentale del motore CFR-48 è

stato implementato con l’impiego di una sonda lambda a banda larga, denominata in

ambiente automobilistico sensore UEGO (Universal Exhaust Gas Oxygen) (12).

Diversamente dalle sonde lambda a banda stretta che consentono solo un funzionamento

del tipo ON-OFF, le sonde UEGO, nell’intorno del valore stechiometrico, inviano in

uscita un segnale in tensione linearmente proporzionale alla dosatura della miscela. La

sonda lambda a banda larga mostrata in Figura 4.22 è realizzata con elementi planari al

biossido di zirconio (ZrO2), rivestiti con elettrodi al platino (Cella di Nernst).

Il biossido di zirconio è un materiale ceramico che presenta la particolare caratteristica

di diventare permeabile agli ioni di ossigeno ad una temperatura di circa 300° C.

Strutturalmente la sonda lambda a banda larga è costituita da tre celle principali:

la cella di riferimento, che genera un segnale di tensione caratteristico Vref pari a

450 mV, corrispondente al valore stechiometrico (λ=1);

la cella di pompaggio, attraverso la quale avviene una reazione catalitica di

diffusione molecolare di ioni di ossigeno;

la camera di misurazione, dove entrano i gas di scarico attraverso un processo di

diffusione molecolare e ai capi dei suoi elettrodi si misura la tensione Vs.

Durante il funzionamento del motore, una percentuale dei gas esausti presenti allo

scarico, passando attraverso i canali di diffusione porosi, entra nella cella di

misurazione, questo fa si che si determini una tensione Vs ai capi dei suoi elettrodi in

platino, la quale viene elettronicamente confrontata con la tensione di riferimento Vref,

attraverso un circuito integrato (Fig. 4.22). Nello specifico, quando il motore è

alimentato con miscele ricche, il potenziale Vs è maggiore di Vref, pertanto scorrerà la

corrente di pompaggio Ip. Viceversa, se il motore viene alimentato con una miscela

povera, la tensione Vs sarà minore della tensione di riferimento Vref, quindi la corrente

di pompaggio Ip scorrerà nella direzione opposta.

In conclusione se il motore è alimentato con una miscela stechiometrica (λ=1) la Vs sarà

uguale alla Vref, pertanto non scorrerà alcuna corrente di pompaggio Ip.


_____________________________________________________________________________________

58

Figura 4.22 - Schema di funzionamento di una sonda lambda a banda larga.

La corrente di pompaggio Ip convertita in un segnale di tensione Vout consente di

stimare il valore della dosatura della miscela con la quale si alimenta il motore.

Analizzando l’andamento del valore di λ in funzione della tensione di uscita Vout,

riportato in Figura 4.23, risulta evidente che sono presenti due differenti pendenze a

cavallo della dosatura stechiometrica (λ=1). Questo fenomeno è dovuto al fatto che la

corrente di pompaggio Ip cambia verso in relazione alla dosatura della miscela con la

quale si alimenta il motore.

Figura 4.23 - Andamento caratteristico della tensione di uscita dalla sonda

lambda a banda larga, in funzione della dosatura della miscela.

0.85

0.90

0.95

1.00

1.05

1.10

1.15

1.20

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5

Lam

bd

a

Volt


_____________________________________________________________________________________

59

4.5 Misura della posizione angolare dell’albero motore.

Per la corretta valutazione della posizione angolare dell’albero motore, la

strumentazione del motore CFR-48 è stata implementata con un encoder ottico

incrementale, modello Rotaplus C80 (Fig. 4.24), caratterizzato da 360 impulsi al giro e

una frequenza massima di uscita di 200 kHz (11). Gli encoder ottici incrementali sono

caratterizzati da un disco sul quale viene foto incisa una trama costituita da aree

trasparenti e opache (pattern) che si alternano lungo il diametro del disco ed un gruppo

ottico, costituito da una sorgente luminosa che investe con un fascio continuo il disco

foto inciso (Fig. 4.24). Quando il disco, rigidamente calettato all’albero motore, viene

posto in rotazione, interrompe alternativamente il fascio luminoso. In relazione

all’alternarsi delle aree trasparenti e opache del disco stesso, il fascio luminoso colpisce

alternativamente un sensore fotosensibile. Attraverso una decodifica elettronica

l’encoder stima l’esatta posizione angolare dell’albero motore.

Figura 4.24 - A sinistra: encoder ottico incrementale Rotaplus C80 calettato sull’albero

motore del CFR-48; a destra: nucleo degli encoder ottici incrementali.

All’uscita dell’encoder Rotaplus C80, calettato sull'albero motore, si misurano due

diversi segnali digitali (0-5 V): uno rileva la posizione angolare con un fronte di salita

ad ogni grado di manovella; l'altro è costituito da un solo fronte di salita

opportunamente tarato in corrispondenza del Punto Morto Superiore, utilizzato come

trigger per il comando dell'iniezione dei combustibili.


_____________________________________________________________________________________

60

4.6 Trattamenti dell’aria di aspirazione e della miscela carburata.

La norma ASTM D 2700 prescrive che durante una prova per la determinazione del

numero di ottano Motor la temperatura dell'aria di aspirazione del motore CFR deve

essere pari a 38 °C ± 2.8 °C, mentre la temperatura della miscela carburata deve essere

circa 149 °C ± 1 °C. Il modello CFR-48 possiede un sistema di riscaldamento dell'aria

di aspirazione attraverso una resistenza elettrica (27) e un sistema di riscaldamento della

miscela carburata (30), costituito da un condotto all’interno del quale è installato un

riscaldatore elettrico ad immersione. Le regolazioni di queste due temperature

avvenivano attraverso due distinti potenziometri e attraverso il pannello di controllo del

motore CFR-48 (Fig. 4.25) vengono monitorate le correnti elettriche assorbite dalle due

resistenze elettriche.

Figura 4.25 - Pannello di controllo del motore CFR-48.

Il sistema di regolazione e monitoraggio della temperatura dell’aria di aspirazione e

della temperatura della miscela carburata è stato implementato in modo tale da operare

un controllo automatico in loop chiuso, installando due controllori PID Omega CN 4216

(Fig. 4.26).

Figura 4.26 - Display dei due controllori PID Omega CN 4216.


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61

Questi due controllori ricevono i segnali relativi alle due temperature da due

termocoppie di tipo K ed in base alla logica di controllo PID comandano, attraverso due

relè allo stato solido, i sistemi di riscaldamento originali del motore CFR-48.

I regolatori PID eseguono una logica di regolazione a retroazione negativa, a struttura

fissa e a parametri aggiustabili, di tipo ad azione proporzionale, integratrice e derivatrice

(Fig. 4.27). I regolatori PID acquisiscono in ingresso un valore di processo, chiamato

parameter set (temperatura imposta), e lo confrontano con un valore di riferimento,

detto set value (temperatura istantanea rilevata dalla termocoppia). La differenza tra

questi due valori costituisce il cosiddetto segnale di errore, usato per stimare il valore

della variabile di uscita del controllore (segnale elettrico di comando del relè allo stato

solido).

Figura 4.27 - Schema di funzionamento di un controllore PID.

La logica di controllo dei regolatori PID combina in modo pesato tre tipi di azione

sull’errore di uscita del sistema da controllare:

azione proporzionale: tiene conto del valore istantaneo del segnale di errore e

si ottiene moltiplicando il segnale d'errore (e) per un'opportuna costante

azione integratrice: tiene conto dei valori precedenti del segnale di errore e si

ottiene moltiplicando una costante per l’integrale del segnale di errore

∫


_____________________________________________________________________________________

62

azione derivatrice: tiene conto della rapidità con cui varia il segnale di errore

al fine di compensarne velocemente le variazioni

L’azione di controllo complessiva di un regolatore PID, assume nel dominio del

tempo la seguente espressione:

∫

Quindi sulla base dell’errore, calcolato tra set value e parameter set, il regolatore PID

invia le opportune azioni correttive, sotto forma di onda quadra, ai relè allo stato solido

che di conseguenza attivano i sistemi di riscaldamento dell’ aria aspirata e della miscela

carburata.

4.7 Misura dell’intensità di detonazione.

Il sensore per la misura dell'intensità di detonazione (10), installato nel motore CFR-48,

è un sensore di tipo magnetostrittivo. La proprietà magnetostrittiva, caratteristica di

alcuni materiali ferromagnetici, consiste nel fatto che questi se sottoposti a campi

magnetici modificano le proprie dimensioni, viceversa se sottoposti a variazioni di

dimensioni, generano un campo magnetico. Il sensore magnetostrittivo (Fig. 4.28),

impiegato per la valutazione dell’intensità di detonazione, è costituito da un magnete

permanente a forma di cilindro cavo al cui interno una bobina in rame avvolge un’anima

ferromagnetica. Durante il fenomeno della detonazione, la variazione di pressione che

avviene dentro la camera di combustione, impone una variazione di forma dell'anima

ferromagnetica. Questa variazione di forma dell’elemento sensibile genera una

ridistribuzione locale di carica, ossia un campo magnetico nell’intorno della bobina di

rame sulla quale inizia a scorrere una corrente indotta che, trasformata in un valore di

tensione, costituisce il valore del segnale di uscita dal sensore magnetostrittivo di

detonazione. In questo modo il segnale di tensione in uscita dal sensore risulta

proporzionale alla variazione di pressione che avviene dentro la camera di combustione.


_____________________________________________________________________________________

63

Figura 4.28 - Sensore magnetostrittivo per la misura dell’intensità di

detonazione installato sul motore CFR-48 e vista in sezione dello stesso.

Nel circuito di misura della intensità di detonazione del motore CFR, mostrato in Figura

4.29, il segnale di tensione in uscita dal sensore di detonazione viene preventivamente

amplificato (A), poi filtrato (F) ed infine nuovamente amplificato (B).

La seguente espressione consente di valutare il rapporto tra due differenti misure

dell’indicatore di intensità della detonazione:

( v1 > v2)

I termini riportati rappresentano rispettivamente:

D1: valore dell’indicatore di misura di intensità della detonazione

corrispondente al segnale di tensione v1;

D2: valore dell’indicatore di misura di intensità della detonazione

corrispondente al segnale di tensione v2;

a: costante di amplificazione dell'amplificatore A;

f: valore di soglia del filtro F;

b: costante di amplificazione dell'amplificatore B;

v1: valore di tensione emesso dal sensore magnetostrittivo, relativo ad una

variazione di pressione dentro la camera di combustione;

v2: valore di tensione emesso dal sensore magnetostrittivo, relativo ad una

variazione di pressione dentro la camera di combustione.


_____________________________________________________________________________________

64

Figura 4.29 - Circuito di misura dell’intensità di detonazione.

Il rapporto ⁄ , espresso dalla precedente equazione, deve tendere teoricamente ad

infinito, dato che questo rappresenta la sensibilità (spread) del knockmeter. Affinché il

rapporto ⁄ tenda ad infinito il denominatore della precedente espressione deve

tendere a zero, ossia la soglia f del filtro deve tendere al valore di tensione v2. Inoltre il

valore di tensione v1 deve essere maggiore di v2 in modo tale che il valore di D1 sia

diverso da zero e si possa quindi ottenere una lettura del knockmeter indicator

proporzionale al valore della costante di amplificazione b scelta. La differenza tra i due

segnali di tensione, emessi dal sensore magnetostrittivo ⁄ , deve essere la più alta

possibile, in modo tale da coprire tutta la scala dell'indicatore, evitando che si

inneschino elevate oscillazioni del valore mostrato dal knockmeter indicator per due

differenti livelli dell’intensità di detonazione che potrebbero inficiare la precisione della

stima dell’intensità di detonazione. La lettura dell'intensità della detonazione viene

eseguita attraverso il knockmeter indicator, caratterizzato da una scala relativa composta

da 100 divisioni. Lo spread deve essere impostato variando le costanti di amplificazione

a e b e agendo su apposite manopole poste sul pannello di comando del motore CFR-48.

4.8 Rilevazione della pressione ambiente e dell’umidità dell’aria aspirata.

La misurazione della pressione ambiente, necessaria per effettuare la correzione

barometrica dei valori dell’altezza del cilindro del motore CFR riportati nelle tabelle

guida della norma ASTM D 2700, è stata effettuata avvalendosi di un sensore di


_____________________________________________________________________________________

65

pressione (14) PMP 1400, caratterizzato da un campo di misura che varia da 0 a 1.2 bar

(Fig. 4.30).

Figura 4.30 - Sensore PMP 1400 per la

misura della pressione ambiente.

Inoltre la norma ASTM D 2700 prescrive che, durante una prova di determinazione del

numero di ottano Motor, l'umidità dell'aria di aspirazione del motore CFR deve essere

compresa tra 3.6 e 7.2 [gv.a./kga.s.]. Il valore dell’umidità dell’aria aspirata dal motore

CFR-48 è stato valutato avvalendosi del sensore di umidità HTM 2500LF (Fig. 4.31).

I segnali di tensione relativi al valore di pressione ambiente e umidità dell’aria aspirata

sono stati acquisiti attraverso la scheda DAQcard 6062E della National Instruments

(Fig. 4.32).

Figura 4.31 - Sensore HTM 2500LF impiegato per la

rilevazione dell’umidità dell’aria aspirata dal motore CFR.


_____________________________________________________________________________________

66

4.9 Apparecchiature di controllo del motore CFR-48.

La strumentazione del motore CFR-48, è stata implementata con un apparato digitale di

controllo costituito da un PC (15), connesso ad una scheda di acquisizione DAQcard

6062E (16), la quale riceve tramite un connettore BNC 2120 i segnali provenienti:

dall'encoder ottico incrementale, dalla sonda UEGO, dal misuratore di portata del GNC,

dal sensore di umidità dell’aria aspirata e dal sensore della pressione ambiente (Fig.

4.32). Il programma di gestione e di controllo del sistema di iniezione del motore CFR è

stato realizzato tramite il linguaggio di programmazione visuale detto G-Language

(Grafìc Language) in ambiente LabVIEW (Laboratory Virtual Instrumentation

Engineering Workbench). La programmazione G-Language utilizza icone e altri oggetti

grafici, che svolgono diverse funzioni, uniti attraverso linee di collegamento (wire) in

modo tale da costituire degli schemi a blocchi. La sequenza di esecuzione delle

istruzioni dipende dal flusso dei dati, attraverso i fili monodirezionali che collegano i

blocchi funzionali (linguaggio dataflow). Inoltre i dati possono anche scorrere in

parallelo attraverso blocchi e fili non consecutivi, pertanto il linguaggio realizza

spontaneamente il multithreading senza bisogno di una esplicita gestione da parte del

programmatore. Tutto ciò rende lo sviluppo di algoritmi di gestione e controllo

estremamente efficace e semplice. L'ambiente di lavoro LabVIEW consta di due parti:

Block Diagram e Front Panel, che insieme costituiscono un vero e proprio strumento

virtuale di gestione (VI: Virtual Instrument) non visualizzabile sotto forma di testo, ma

salvabile solo come file binario visualizzabile e compilabile solo in ambiente

LabVIEW.

Figura 4.32 - Strumentazione della National Instruments: a sinistra scheda di

acquisizione DAQcard 6062E e a destra connettore BNC 2120.

Osservando la Figura 4.33 dove è mostrato il VI di controllo e gestione dell'iniezione del

motore CFR-48, si possono notare: in alto a sinistra i pulsanti che consentono la

gestione degli iniettori del gas e della benzina, la fasatura della combustione, i tempi di


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67

iniezione dei combustibili ed i comandi per il controllo in loop chiuso delle dosature

della miscela aspirata dal motore.

Figura 4.33 - VI di gestione e controllo dell’iniezione del motore CFR.

In basso a sinistra si notano le finestre che indicano: le portate di gas e di benzina, la

percentuale di gas iniettata nella miscela di combustibili, la pressione atmosferica

dell’ambiente di lavoro, l’umidità dell’aria di aspirazione e la temperatura del liquido di

raffreddamento del motore CFR-48. In altro a destra si trovano i grafici che mostrano:

gli andamenti della dosatura media e istantanea e l’andamento della pressione

dell’ambiente di lavoro. In basso al centro si osservano le finestre utilizzate per il

salvataggio dei dati relativi alle varie sessioni di prova.

4.10 Apparecchiature per la miscelazione dei combustibili di riferimento.

La preparazione dei PRF blend, necessari per la determinazione del numero di ottano

Motor, è stata eseguita avvalendosi del metodo gravimetrico, previsto dalla norma

ASTM D 2700. Pertanto si è proceduto alla valutazione delle densità dei combustibili di

riferimento (Tabella 4.4) valutate con l’ausilio di burette calibrate, con capacità di 10 ml


_____________________________________________________________________________________

68

e precisione di 0.1 ml, e di una bilancia Orma EL-1000, caratterizzata da una precisione

di ± 0.01 g e con un intervallo di misura compreso tra 0-1 kg (Fig. 4.34).

Nomenclatura Densità [kg/l]

Iso-ottano 0.6937

Blend 80 0.6835

Tabella 4.4 Densità dei combustibili di riferimento primari.

La dosatura del piombo tetraetile, necessario per la determinazione di numeri di ottano

Motor superiori a 100 N.O., è stata effettuata avvalendosi di una siringa di altissima

precisione caratterizzata da un intervallo di misura compreso tra 0-0.05 ml ed una

risoluzione pari a 0.001 ml (Fig.4.34).

Figura 4.34 A sinistra: buretta di precisione da 10 ml; al centro: bilancia di precisione Orma

EL-1000; a destra: siringa di precisione con intervallo di misura compreso tra 0-0.05ml usata

per il piombo tetraetile.


_____________________________________________________________________________________

69

Figura 4.35 - Schema generale delle apparecchiature dell’apparato sperimentale.


_____________________________________________________________________________________

70

Capitolo 5.

Le prove sperimentali.

5.1 Introduzione.

In questo capitolo si riportano i dati sperimentali ottenuti durante le prove di

determinazione del numero di ottano Motor di miscele di benzina e GNC testate in

differenti proporzioni, condotte al motore CFR-48, secondo la procedura descritta della

norma internazionale ASTM D 2700.

5.2 Caratteristiche della benzina e del GNC impiegati.

Prima di iniziare la campagna sperimentale di determinazione del numero di ottano

Motor di miscele di benzina e GNC si è proceduto all’acquisto di un quantitativo di

benzina sufficiente a garantire l’esecuzione di tutte le prove previste. Le caratteristiche

della benzina, impiegata durante il corso della campagna sperimentale, sono elencate

nella scheda tecnica fornita dal produttore, mostrata in Figura 5.1.

Il gas naturale compresso, è una miscela gassosa composta principalmente da metano ed

in minor percentuale da etano, propano, butano ed inerti; di cui è nota la composizione

relativamente al periodo di interesse. Il metano puro è caratterizzato da un numero di

ottano Motor superiore a 140, mentre gli altri componenti presenti all’interno della

miscela, sono caratterizzati da un numero di ottano Motor inferiore a quello del metano

puro, ciò implica che il numero di ottano Motor del gas naturale compresso vari tra 115

e 135, a seconda della composizione della miscela. A tal proposito la norma UNI EN

ISO 15403-1:2009 fornisce una relazione matematica che consente il calcolo del

numero di ottano Motor del gas naturale compresso, in funzione delle percentuali dei

componenti della miscela.


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71

Figura 5.1 – Scheda delle caratteristiche della benzina impiegata.

CARATTERISTICHE UNITÀ DI

MISURAMETODO ASTM METODO ISO/EN

Colore UNICHIM 1493

Aspetto

Densità, 15°C kg/m3

720 775

EN ISO 3675;

EN ISO 12185

Numero di Ottano, Research

Method 95,0 EN 5164

Numero di Ottano, Motor Method 85,0 EN 5163

Contenuto di Piombo mg/l 5 EN 237

Contenuto di Olefine % v/v 18,0 ASTM D 1319 EN 14517

Contenuto di Benzene % v/v 1,00

EN 238; EN 12177; EN

14517

Contenuto di Aromatici % v/v 35,0 EN 15553 EN 14517

Contenuto di Ossigeno % m/m 2,7 EN 1601; EN 13132

Contenuto di Ossigenati % v/v EN 1601; EN 13132

Metanolo 3,0

Etanolo 5,0

Alcool iso-propilico 10,0

Alcool iso-butilico 10,0

Alcool tert-butilico 7,0

Eteri con più di 5 atomi di

carbonio 15,0

Altri ossigenati 10,0

Punto di infiammabilità °C 21 ASTM D 56

Distillazione EN ISO 3405

Evaporato a 70°C, 1 Mag. - 30 Sett. % v/v 20,0 48,0

Evaporato a 70°C, 1 Ott. - 30 Apr. % v/v 22,0 50,0

Evaporato a 100°C % v/v 46,0 71,0

Evaporato a 150°C % v/v 75,0

Punto Finale °C 210

Residuo % v/v 2

Tensione di Vapore a 37,8°C EN 13016-1

1 Mag. - 30 Sett. kPa 45,0 60,0

16 Mar. - 30 Apr. ; 1 Ott. - 15 Nov. 50,0 80,0

16 Nov. - 15 Mar. 60,0 90,0

Vapour Lock Index (VLI)

16 Mar. - 30 Apr. ; 1 Ott. - 15 Nov. 1050

Gomme Esistenti Lavate mg/100 ml 5 EN ISO 6246

Stabilità all'ossidazione minuti 360 EN ISO 7536

Contenuto di Zolfomg/kg 10,0

EN ISO 20846;

EN ISO 20884

Corrosione su Rame 1 EN ISO 2160

VALORE

Min Max

Verde

Limpido e brillante Visivo


_____________________________________________________________________________________

72

Figura 5.2 – Andamenti dei numeri di ottano Motor relativi al periodo delle prove.

Nelle sezioni del Title 13 dei California Code of Regulations sono riportate altre

relazioni matematiche che consentono invece il calcolo del numero di metano del gas

naturale compresso, attraverso le percentuali dei componenti; da queste è possibile

calcolare il corrispondente valore del numero di ottano Motor. Utilizzando sia le

formule fornite dalla normativa UNI EN ISO 15403-1:2009 che quelle riportate nelle

sezioni del Title 13 dei California Code of Regulations, sono stati calcolati i numeri di

ottano Motor del GNC sulla base dei dati di rilevazione giornalieri, rilasciati dal

distributore del gas naturale compresso e relativi al periodo in cui sono state eseguite le

prove. I valori ottenuti sono mostrati in Figura 5.2.

5.3 Prove sperimentali.

In accordo con la norma internazionale ASTM D 2700, prima di ogni sessione di prova

sperimentale, il motore CFR deve essere portato nelle condizioni di equilibrio

termodinamico descritte al Paragrafo 3.3. Pertanto, all’inizio di ogni sessione di prova

sperimentale, il motore CFR-48 è stato alimentato con un combustibile di riscaldamento

(GNC) in condizioni di assenza di detonazione.

119

120

121

122

123

124

125

126

127

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

MO

N d

el G

NC

Mese di Gennaio

MON California C.R.

MON UNI EN ISO 15403-1


_____________________________________________________________________________________

73

Successivamente, agendo contemporaneamente sull’altezza del cilindro e sul sistema di

iniezione, il motore CFR-48 è stato alimentato con il combustibile campione, oggetto

della determinazione del numero di ottano Motor: prima in condizioni di lieve

detonazione ed infine, nell’ultima parte della fase di riscaldamento, in condizioni di

detonazione standard. Questa ultima fase deve durare almeno un ora, questo perché si è

sperimentalmente riscontrato che il tempo di riscaldamento del motore CFR ha una

notevole influenza sulla stabilità delle misure del knockmeter.

5.4 Prova 100% benzina.

La prima prova ha avuto come oggetto la determinazione del numero di ottano Motor

(MON) della benzina impiegata durante il corso della campagna sperimentale per

realizzare le miscele di GNC e di benzina. Il produttore di questa benzina certifica un

MON pari ad 85, valore conforme alla vigente normativa UNI EN 228:2009 che impone

un MON minimo per la benzina da autotrazione pari ad 84.8. Il primo stadio nella

determinazione del MON della benzina ha previsto la taratura del knockmeter ad un

valore di 85 N.O.; le condizioni dell’ambiente di prova ed i parametri del motore CFR

registrati durante questa taratura sono riportati nella Tabella 5.1.

Temperatura dell'ambiente di prova [°C] 20.6

Pressione dell'ambiente di prova [kPa] 101.68

Umidità assoluta dell'aria aspirata [kgv.a./kga.s. ] 0.006

Umidità relativa dell'ambiente di prova [%] 40

Anticipo di accensione di massima detonazione [°] 21.7

λ medio di massima detonazione 1.039

Altezza del cilindro letta dalla tabella ["] 0.552

Correzione dell’altezza del cilindro ["] 0.002

Altezza imposta al cilindro ["] 0.554

Rapporto di compressione del motore CFR 6.3

Temperatura del liquido motore [°C] 101.0

Knockmeter indicator 50

Spread 12

Tabella 5.1 - Condizioni dell’ambiente di prova e parametri del motore CFR

registrati durante la taratura del knockmeter al valore di 85 N.O..

Dopo aver tarato il knockmeter si è proceduto alla stima del MON della benzina. Nella

Tabella 5.2 si riportano le condizioni di prova.


_____________________________________________________________________________________

74



Umidità assoluta dell'aria aspirata [kgv.a. /kga.s.] 0.006



Altezza del cilindro corretta ["] 0.560

Correzione altezza cilindro ["] 0.002

Altezza del cilindro letta al micrometro ["] 0.562

Rapporto di compressione 6.2

Temperatura liquido motore [°C] 101.0

Tempo di iniezione della benzina [ms] 19

Portata della benzina iniettata [kg/h] 0.788

Tempo di iniezione del GNC [ms] 0

Portata del GNC iniettata [kg/h] 0.003

Tabella 5.2 - Condizioni dell’ambiente di prova e parametri del motore CFR registrati

durante la prova sperimentale di determinazione del MON del campione 100% benzina.

Dato che il campione di benzina in esame ha fornito una stima iniziale del MON pari ad

84.4 si è proceduto alla realizzazione di due PRF blend, distanti tra loro di due numeri

di ottano: un PRF blend, caratterizzato da un MON pari ad 83, ed un PRF blend,

caratterizzato da un MON pari ad 85. Nella Tabella 5.3 si riportano le composizioni di

queste due miscele che inquadrano la stima iniziale del MON del campione in esame.

Iso-ottano Blend 80 Piombo tetraetile

% vol. [ml] [g] % vol. [ml] [g] [ml]

PRF Blend 85 25 100 69.37 75 300 205.05 0

PRF Blend 83 15 60 41.62 85 340 232.39 0

Tabella 5.3 - Composizioni dei PRF blend impiegati per la determinazione del MON del

campione 100% benzina.

Nella Tabella 5.4 si riportano i risultati della prima prova sperimentale per la quale sono

state sufficienti due sole letture del knockmeter indicator e secondo le quali il campione

di benzina in esame ha fornito il MON finale di 84. Il campione di benzina in esame ha

fornito un valore del MON inferiore a quello dichiarato dal produttore della benzina ed

inferiore al valore minimo imposto per legge dalla vigente normativa UNI EN 228 del

2009.


_____________________________________________________________________________________

75

Combustibile KMI λ max

{ Benzina 50 0.999

1° Serie PRF Blend 85 36 0.920

PRF Blend 83 64 0.899

{ Benzina 49 0.998


PRF Blend 85 35 0.935

Tabella 5.4 - Risultati delle letture del knockmeter indicator effettuate

durante la determinazione del MON del campione 100% benzina.

Si suppone che le possibili cause di una tale differenza riscontrata durante il corso della

prova sperimentale di valutazione del MON della benzina siano da attribuire

all’invecchiamento della benzina o all’inquinamento della benzina stessa da parte di

altri combustibili presenti nei serbatoi del distributore o nelle cisterne di trasporto.

5.5 Prova double-fuel 20% GNC - 80% benzina.

La seconda prova sperimentale ha avuto come oggetto la determinazione del numero di

ottano Motor di una miscela composta per il 20% da GNC e per l’80% da benzina.



Umidità assoluta dell'aria aspirata [kgv.a. /kga.s.] 0.006








Tempo di iniezione della benzina [ms] 15.0


Tempo di iniezione del GNC [ms] 6.0



registrati durante la prova sperimentale di determinazione del MON della

miscela composta dal 20% di GNC e dall’80% di benzina.


_____________________________________________________________________________________

76

Nella Tabella 5.5 si riportano le condizioni di prova registrate durate la stima iniziale

del MON della miscela composta dal 20% di GNC e dall’80% di benzina.

Poiché il campione in esame ha fornito una stima iniziale di 89 N.O. si è proceduto alla

realizzazione di due PRF blend, distanti tra loro di due numeri di ottano.

Nella Tabella 5.6 si riportano le composizioni del PRF blend, caratterizzato da un MON

pari ad 88, e del PRF blend, caratterizzato da un MON pari a 90.


% vol. [ml] [g] % vol. [ml] [g] [ml]

PRF Blend 90 50 200 138.74 50 200 136.70 0

PRF Blend 88 40 160 110.99 60 240 164.04 0

Tabella 5.6 - Composizioni dei PRF blend impiegati per la determinazione del MON

della miscela composta dal 20% di GNC e dall’80% di benzina.

Nella Tabella 5.7 si riportano i risultati della seconda prova sperimentale per la quale

sono state sufficienti due sole letture del knockmeter indicator, secondo le quali la

miscela composta per il 20% da GNC e per l’80% da benzina è caratterizzata da un

MON finale di 88.3.

Combustibile KMI λmax

{ Benzina 50 1.001


PRF Blend 88 53 0.930

{ Benzina 49 1.001


PRF Blend 90 24 0.951

Tabella 5.7 - Risultati delle letture del knockmeter indicator

effettuate durante la determinazione del MON della miscela

composta dal 20% di GNC e dall’80% di benzina.


La terza prova sperimentale ha avuto come oggetto la determinazione del MON di una

miscela composta per il 40% da GNC e per il 60% da benzina.


_____________________________________________________________________________________

77

Nella Tabella 5.8 si riportano le condizioni dell’ambiente di prova ed i parametri del

motore CFR registrati durante la taratura del knockmeter al valore di 92 N.O..



Umidità assoluta dell'aria aspirata [kgv.a./kga.s.] 0.006










Spread 18



Nella Tabella 5.9 si riportano le condizioni di prova della stima iniziale del MON della

miscela composta dal 40% di GNC e dal 60% di benzina.



Umidità assoluta dell'aria aspirata [kgv.a./kga.s] 0.007











Portata del GNC iniettata [Kg/h] 0.309




Il campione in esame ha fornito una stima iniziale di 94 N.O. pertanto si è proceduto

alla realizzazione di due PRF blend che differivano tra loro di due numeri di ottano.


_____________________________________________________________________________________

78

Nella Tabella 5.10 si riportano le composizioni del PRF blend, caratterizzato da un

MON pari a 93, e del PRF blend, caratterizzato da un MON pari a 95.


% vol. [ml] [g] % vol. [ml] [g] [ml]

PRF Blend 95 75 300 208.11 25 100 68.35 0

PRF Blend 93 65 260 180.36 35 140 95.69 0


della miscela composta dal 40% di GNC e dal 60% di benzina.

Nella Tabella 5.11 si riportano i risultati della prova sperimentale per la quale sono state

sufficienti due sole letture del knockmeter indicator, e secondo le quali la miscela

composta per il 40% da GNC e per il 60% da benzina ha fornito un MON finale di 94.3.


{ Benzina 50 1.001


PRF Blend 93 65 0.999

{ Benzina 46 0.996


PRF Blend 95 36 0.976


durante la determinazione del MON della miscela composta dal 40% di

GNC e dal 60% di benzina.


La quarta prova sperimentale ha avuto come oggetto la determinazione del MON di una

miscela composta per il 60% da GNC e per il 40% da benzina. Nella Tabella 5.12 si

riportano le condizioni dell’ambiente di prova ed i parametri del motore CFR registrati

durante la taratura del knockmeter al valore di 100 N.O..


_____________________________________________________________________________________

79













Spread 18

Tabella 5.12 Condizioni dell’ambiente di prova e parametri del motore CFR

registrati durante la taratura del knockmeter al valore di 100.0 N.O..




















Il campione in esame ha fornito una stima iniziale di 102.1 N.O. pertanto si è proceduto

alla realizzazione di un PRF blend, caratterizzato da un MON pari a 101.3, ed un PRF


_____________________________________________________________________________________

80

blend, caratterizzato da un MON pari a 102.5. Le composizioni di entrambi i PRF blend

sono riportate nella Tabella 5.14.


% vol. [ml] [g] % vol. [ml] [g] [ml]

PRF Blend 102.5 100 400 277.48 0 0.0 0.0 0.011

PRF Blend 101.3 100 400 277.48 0 0.0 0.0 0.021





composta per il 60% da GNC e per il 40% da benzina ha fornito il MON finale di 102.4.


{ Benzina 49 1.000

1° Serie PRF Blend 102.5 48 1.022

PRF Blend 101.3 67 1.018

{ Benzina 47 1.002

2° Serie PRF Blend 101.3 67 1.029

PRF Blend 102.5 45 0.998


durante la determinazione del MON della miscela composta dal 60% di

GNC e dal 40% di benzina.


La quinta prova sperimentale ha avuto come oggetto la determinazione del MON di una

miscela composta per l’80% da GNC e per il 20% da benzina. Nella Tabella 5.16 si




_____________________________________________________________________________________

81













Spread 18




miscela composta dall’80% di GNC e dal 20% di benzina.
















registrati durante la prova sperimentale di determinazione del MON della miscela

composta dall’80% di GNC e dal 20% di benzina.


alla realizzazione di un PRF blend, caratterizzato da un MON pari ad 108, ed un PRF


_____________________________________________________________________________________

82

blend caratterizzato da un MON pari ad 110.5. Le composizioni di entrambi i PRF

blend sono riportate nella Tabella 5.18.


% vol. [ml] [g] % vol. [ml] [g] [ml]

PRF Blend 110.5 100 400 277.48 0 0.0 0.0 0.148

PRF Blend 108 100 400 277.48 0 0.0 0.0 0.095


della miscela composta dall’80% di GNC e dal 20% di benzina.



composta per l’80% da GNC e per il 20% da benzina ha fornito il MON finale di 109.


{ Benzina 51 1.000

1° Serie PRF Blend 110.5 33 1.024

PRF Blend 108 58 1.017

{ Benzina 47 1.000


PRF Blend 110.5 33 1.010


durante la determinazione del MON della miscela composta dall’80% di GNC

e dal 20% di benzina.


La sesta prova sperimentale ha avuto come oggetto la determinazione del MON di una

miscela composta per il 90% da GNC e per il 10% da benzina. Nella Tabella 5.21 si




_____________________________________________________________________________________

83



Umidità assoluta dell'aria aspirata [Kgv.a./Kga.s.] 0.006










Spread 18

Tabella 5.21 - Condizioni dell’ambiente di prova e parametri del motore CFR registrati


















Tabella 5.22 - Condizioni dell’ambiente di prova e parametri del motore

CFR registrati durante la prova sperimentale di determinazione del MON



alla realizzazione di un PRF blend, caratterizzato da un MON pari ad 114.3, ed un PRF

blend caratterizzato da un MON pari a 116.6. Le composizioni di entrambi i PRF blend

sono riportate nella Tabella 5. 23.


_____________________________________________________________________________________

84


% vol. [ml] [g] % vol. [ml] [g] [ml]

PRF Blend 116.6 100 400 277.48 0 0 0 0.370

PRF Blend 114.3 100 400 277.48 0 0 0 0.264

Tabella 5.23 - Composizione dei PRF blend impiegati per la determinazione del MON



sufficienti due sole letture del knockmeter indicator, secondo le quali la miscela

composta per il 90% da GNC e per il 10% da benzina ha fornito il MON finale di 116.


{ Benzina 49 1.001

1° Serie PRF Blend 116.6 40 1.027

PRF Blend 114.3 62 1.038

{ Benzina 46 1

2° Serie PRF Blend 114.3 56 1.048

PRF Blend 116.6 36 1.041

Tabella 5.24 - Risultati delle letture del knockmeter indicator

effettuate durante la determinazione del MON della miscela

composta dal 90% di GNC e dal 10% di benzina.

5.10 Prova 100% GNC.

La settima prova sperimentale ha avuto come oggetto la determinazione del MON del

campione composto dal 100% di GNC. Nella Tabella 5.25 si riportano le condizioni

dell’ambiente di prova ed i parametri del motore CFR registrati durante la taratura del

knockmeter al valore di 120.3 N.O.. Nella Tabella 5.26 si riportano le condizioni di

prova della stima iniziale del MON del campione in esame composto dal 100% di GNC.


_____________________________________________________________________________________

85













Spread 12

Tabella 5.25 Condizioni dell’ambiente di prova e parametri del motore CFR

registrati durante la taratura del knockmeter al valore di 120.3 N.O..

Considerato che il campione in esame ha fornito una stima iniziale superiore a 120.3

N.O. e che le tabelle della norma internazionale ASTM D 2700 riportano valori del

MON fino al valore 120.3 si è proceduto realizzando: un PRF blend, caratterizzato da

un MON pari a 119.3 ed un PRF blend, caratterizzato da un MON pari a 120.3.

Le composizioni di tali PRF blend sono riportate nella Tabella 5.27.















Tabella 5.26 - Condizioni dell’ambiente di prova e parametri del motore

CFR registrati durante la prova sperimentale di determinazione del MON

del campione composto dal 100% di GNC.


_____________________________________________________________________________________

86


% vol. [ml] [g] % vol. [ml] [g] [ml]

PRF Blend 120.3 100 400 277.48 0 0 0 0.634

PRF Blend 119.3 100 400 277.48 0 0 0 0.264

Tabella 5.27 - Composizione dei PRF blend impiegati per la determinazione del

MON del campione composto dal 100% di GNC.

Nella Tabella 5.28 si riportano i risultati della prova sperimentale per la quale è stata

eseguita una sola lettura del knockmeter indicator. Il campione in esame, composto dal

100% di GNC, ha fornito una stima finale del MON pari a 122. Questo valore è stato

calcolato con un procedimento di estrapolazione lineare.


{ Benzina 24 1.05

1° Serie PRF Blend 120.3 52 1.068

PRF Blend 119.3 68 1.031

Tabella 5.28 - Risultati delle letture del knockmeter indicator effettuate durante

la determinazione del MON del campione composto dal 100% di GNC.

Il valore finale del MON del campione 100% GNC (122 N.O.), valutato al motore CFR

secondo un procedimento di estrapolazione lineare, è in linea con i valori medi dei

MON calcolati sia utilizzando le formule della normativa UNI EN ISO 15403-1:2009

(122 N.O.) che utilizzando le formule riportate nelle sezioni del Title 13 dei California

Code of Regulations (122 N.O.).

5.11 Analisi dei risultati sperimentali.

Nella Figura 5.3 sono riassunti i risultati delle prove sperimentali ottenuti durante la

determinazione del numero di ottano Motor di miscele di benzina e GNC, valutate in

differenti proporzioni, condotte al motore CFR-48, secondo la procedura descritta dalla

norma ASTM D 2700. La correlazione matematica ricavata, che lega i punti

sperimentali rilevati, è di tipo quadratico ed è riportata in Figura 5.3.


_____________________________________________________________________________________

87

Figura 5.3 - Andamento del MON ottenuto sperimentalmente in funzione della

percentuale di GNC iniettata nella miscela.

Analizzando i risultati sperimentali acquisiti si osserva che: il MON della miscela di

benzina e GNC aumenta al crescere della percentuale di GNC iniettato nella miscela.

Si suppone che tale fenomeno sia dovuto all’assorbimento, da parte delle molecole del

GNC (122 MON), dell’energia di ossidazione proveniente dall’autoaccensione delle

molecole di benzina (84 MON) presenti nell’end-gas. L’andamento del MON di miscele

di benzina e GNC, valutate in differenti proporzioni, mostra una tangente positiva,

crescente fino a percentuali pari al 100%. In un precedente lavoro di tesi2, condotto sulla

determinazione del numero di ottano Motor di miscele di benzina e GPL, testate in

differenti proporzioni, era stato determinato l’andamento del MON in funzione della

percentuale di GPL nella miscela (Fig. 5.4). I punti sperimentali vengono interpolati da

una curva di secondo grado che mostra un andamento crescente con asintoto orizzontale

per percentuali nell’intorno del 100% di GPL nella miscela. Ciò sottolinea che il GNC

(122.0 MON), essendo contraddistinto da una resistenza alla detonazione molto più alta

del GPL (92.7 MON), consente un incremento della resistenza alla detonazione della

miscela che cresce sempre al crescere della percentuale di GNC presente nella miscela.

_________________________ 2 Bibliografia riferimento [19]

y = 0,0021x2 + 0,1665x + 84,143

R² = 0,9968

83

88

93

98

103

108

113

118

123

0 20 40 60 80 100

M.O

.N.

% GNC


_____________________________________________________________________________________

88

Figura 5.4 Andamento del N.O. ottenuto sperimentalmente in funzione della

percentuale di GPL iniettata nella miscela.

y = -0,0007x2 + 0,1572x + 84,038

R² = 0,9969

83

84

85

86

87

88

89

90

91

92

93

94

0 20 40 60 80 100

M.O

.N.

% GPL

Determinazione del numero di ottano di miscele di benzina e GNC Conclusioni

_____________________________________________________________________________________

89

Capitolo 6.

Conclusioni.

Questo lavoro di tesi che ha avuto come oggetto la determinazione del numero di ottano

Motor di miscele di benzina e GNC, testate in differenti rapporti tra i due, documenta

come l’ ossidazione simultanea di un combustibile liquido e di uno gassoso,

quest’ultimo caratterizzato da un MON più elevato, incrementi la resistenza globale alla

detonazione della miscela, rispetto al solo combustibile liquido.

La combustione simultanea di benzina e GNC consente inoltre di sfruttare le

caratteristiche dei singoli combustibili. Nonostante la complessità delle strumentazioni

sperimentali impiegate e delle prove sperimentali effettuate con il motore CFR,

l’innovativa strategia di alimentazione dei motori ad accensione comandata double-fuel,

sviluppata dal Dipartimento di Ingegneria Chimica, Gestionale, Informatica, Meccanica

dell’Università degli Studi di Palermo, potrebbe trovare immediata applicazione sui

motori bi-fuel già in commercio, semplicemente modificando il software di gestione del

motore alternativo ad accensione comandata. Per potere sfruttare le maggiori capacità

antidetonanti delle miscele di benzina e GNC è necessario modificare, in un motore

alternativo aspirato, gli anticipi di accensione. Occorre, inoltre, aggiungere alcuni

parametri di controllo necessari a consentire la regolazione in tempo reale della

percentuale di GNC presente nella miscela al fine di mantenere la dosatura dentro la

camera di combustione al valore stechiometrico. Questo consentirebbe, a pieno carico,

un incremento dell’efficienza del motore, una significativa riduzione dei consumi di

combustibili e di conseguenza delle emissioni inquinanti emesse nell’ambiente. Inoltre

il motore alternativo ad accensione comandata può essere alimentato con un solo tipo di

combustibile, qualora ciò si rendesse necessario per qualsiasi motivo.

Determinazione del numero di ottano di miscele di benzina e GNC Conclusioni

_____________________________________________________________________________________

90

Impiegare GNC nella realizzazione di miscele di benzina e gas in differenti proporzioni

ha consentito di migliorare i risultati che erano già stati ottenuti impiegando il GPL.

Sarebbe opportuno analizzare nel dettaglio il fenomeno della combustione delle miscele

di benzina e GNC in modo tale da poter comprendere appieno la natura dei fenomeni

termodinamici che incrementano il potere antidetonante della miscela.

Determinazione del numero di ottano di miscele di benzina e GNC Bibliografia

_____________________________________________________________________________________

91

Bibliografia.

[1] ASTM International, "Standard Test Method for Motor Octane Number of

Spark-Ignition Engine Fuel", Designation: D 2700.

[2] A. Beccari, C. Caputo, "Motori termici volumetrici", Edizioni UTET.

[3] G. L. Berta, A. Vacca, "Sperimentazione sui motori a combustione interna",

Monte Università Parma.

[4] E. Pipitone, Dispense del corso di "Sperimentazione sui motori a combustione

interna".

[5] R.K. Rajput, “Internal Combustion Engines”, Laxmi Publications, 2005.

[6] H.N. Gupta, “Fundamentals of Internal Combustion Engines”, Prentice Hall of

India, 2006.

[7] Cammalleri M., Pipitone E., Beccari S., Genchi G., “A mathematical model for

the prediction of the injected mass diagram of a S.I. engine gas injector”, Journal

of Mechanical Science and Technology, Volume 27, Issue 11, November 2013,

Pages 3253-3265, DOI: 10.1007/s12206-013-0848-6

[8] D. Giacosa, "Motori Endotermici" , HOEPLI Editore.

[9] Ente Nazionale Italiano di Unificazione, " Combustibili per autotrazione - GPL-

Requisiti e metodi di prova", UNI EN 589:2009.


_____________________________________________________________________________________

92

[10] Ente Nazionale Italiano di Unificazione, "Determinazione delle caratteristiche

antidetonanti dei carburanti per motori di autoveicoli e di aviazione - Metodo

"motore"”, UNI EN IS05163:2006.

[11] Ente Nazionale Italiano di Unificazione, "Determinazione delle caratteristiche

antidetonanti dei carburanti per motori di autoveicoli - Metodo "ricerca", UNI

EN IS05164.

[12] Ente Nazionale Italiano di Unificazione, "Combustibili per autotrazione -

Benzina senza piombo - Requisiti e metodi di prova", UNI EN 228:2009.

[13] Ente Nazionale Italiano di Unificazione, " Gas naturale - Gas naturale per l

utilizzo quale carburante compresso per veicoli"", UNI EN ISO 15403-1:2008.

[14] California Code of Regulations “Appendix A e Appendix D - Methane Number

and Fuel Composition”, Section 2290, Title 13.

[15] Kubesh, John T., “Effect of Gas Composition on Octane Number of Natural Gas

Fuels”, SwRI-3178-4.4, GETA 92-01, GRI-92/0150, May 1992.

[16] E. Pipitone, S. Beccari, "Calibration of a knock prediction model for the

combustion of gasoline-natural gas mixtures", ICEF2009-14057 Proceedings of

the ASME internal Combustion Engine Division 2009 Fail Technical Conference

ICEF2009, September 2009, Switzerland, DOI: 10.1115/ICEF2009-14057

[17] E. Pipitone, S. Beccari, "Performances improvement of a S.I. CNG "bi-fuel"

engine by means of "double fuel" injection"", SAE 2009-24-0058, ISSN 0148-

7191, DOI: 10.4271/2009-24-0058

[18] E. Pipitone, S. Beccari, “Performances and emissions improvement of an S.I.

engine fuelled by LPG/gasoline mixtures”, SAE technical paper 2010-01-0615,

ISSN 0148-7191, SAE 2010 World Congress, Detroit (Michigan, USA), published

on “SI Combustion and Direct Injection SI Engine Technology 2010”, ISBN 978-

0-7680-3415-8, DOI: 10.4271/2010-01-0615


_____________________________________________________________________________________

93

[19] Tesi di laurea di M. Scamardi, “Determinazione del numero di ottano di miscele

di benzina e GPL”, relatore E. Pipitone, 2009/20010, Corso di Laurea

Magistrale in Ingegneria Meccanica, Università degli Studi di Palermo.

[20] Waukesha Dresser, "The Waukesha CFR Fuel Research Engine - An

International Historic Mechanical Engineering Landmark".

UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI PALERMO FACOLTA’ DI...

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